Reakcje utleniania i redukcji

Ważne pojęcia
Stopień utlenienia Stopień utlenienia pierwiastka w dowolnym połączeniu
chemicznym jest pojęciem umownym i określa ładunek, który
istniałby na atomie tego pierwiastka, gdyby elektrony w
każdym wiązaniu utworzonym przez dany atom należały do
atomu bardziej elektroujemnego.
Utleniacz
Utleniaczami są atomy, jony lub cząsteczki posiadające
zdolność przyjmowania elektronów tzn. odbierania ich od
innych atomów lub grup atomów, powodując w ten sposób
ich utlenienie.
Utleniacze utleniając inne substancje, same ulegaja
redukcji
Reduktor
Reduktorami są atomy, jony lub cząsteczki posiadające
zdolność oddawania elektronów innym atomom, jonom lub
cząsteczkom, powodując redukcję tych substancji.
Reduktory w procesie redukcji same ulegają utlenieniu.
Utlenianie
(dezelektronacja)
Utlenianie to reakcja chemiczna, w której jakiś atom (lub ich
grupa) przechodzi z niższego na wyższy stopień utlenienia
(oddaje elektrony).
Redukcja
( elektronacja)
Reakcja
utleniania-redukcji
( procesy redoksowe,
reakcja redoks)
Proces, w trakcie którego atom lub ich grupa przechodzi z
wyższego na niższy stopień utlenienia.
Reakcją utlenienia-redukcji nazywamy proces, w którym
następuje wymiana elektronów między substancją
utleniającą a substancją redukującą, na skutek czego
atomy pierwiastków biorących udział w reakcji zmieniają
swój stopień utlenienia.
Prawo zachowania
ładunku
W układzie reagującym ilość elektronów pobranych i
oddanych jest taka sama. Oznacza to, że procesowi
utleniania zawsze towarzyszy proces redukcji.
Reakcje
dysproporcjonowania
(dysmutacji,
autoredoksydacji,
samoutlenienia samoredukcji )
Pewien typ reakcji redoks, w którym utlenieniu i redukcji
ulegają jednocześnie różne atomy tego samego
pierwiastka, ten sam związek pełni role i utleniacza i
Reakcje
W reakcji synproporcjonowania produktem procesu
utleniania i procesu redukcji jest ta sama substancja.
synproporcjonowania
reduktora.
Stopień utlenienia
Stopień utlenienia pierwiastka w związku chemicznym podaje się za pomocą
cyfry rzymskiej zapisanej nad symbolem pierwiastka (ujemny stopień
utlenienia poprzedza się znakiem minus).
Zasady określania stopnia utlenienia:
1.Stopień utlenienia pierwiastków w stanie wolnym wynosi zawsze zero,
niezależnie od liczby wiązań, jakie tworzą między sobą atomy.
2.Suma stopni utlenienia w cząsteczce obojętnej równa jest zero, a w jonie
złożonym równa jest ładunkowi tego jonu.
3. Stopień utlenienia pierwiastka w prostym jednoatomowym jonie równy
jest ładunkowi tego jonu.
4. Tlen w związkach z reguły ma stopień utlenienia -II, z wyjątkiem
związków, w których występuje wiązanie między dwoma atomami tlenu oraz
z wyjątkiem związków z fluorem.
5. Wodór w związkach z reguły ma stopień utlenienia I, z wyjątkiem
wodorków metali i innych prostych związków z pierwiastkami mniej od niego
elektroujemnymi, w których ma stopień utlenienia -I.
6. Litowce w związkach mają zawsze stopień utlenienia I, a berylowce
stopień utlenienia II.
7. Fluor w związkach ma zawsze stopień utlenienia -I.
8. Chlor w związkach z reguły ma stopień utlenienia -I, z wyjątkiem
związków z fluorem i z tlenem.
Przykłady określania stopnia utlenienia pierwiastka w
cząsteczce i jonie.
NH3
wodór: stopień utlenienia I
ładunek cząsteczki 0
azot: x+3·(+1)= 0, x=-3
azot: stopień utlenienia -III
Na2S2O3
sód: stopień utlenienia +1
tlen: stopień utlenienia -2
2x+2·(+1)+3·(-2)=0
siarka: stopień utlenienia II
Należy pamiętać, że stopnie
utlenienia są wielkościami
umownymi i zależą od sposobu jak i
reguł według których się je oblicza.
Służą one jedynie do ″księgowania″
elektronów.
HClO4
tlen: stopień utlenienia -2
wodór: stopień utlenienia +1
ładunek cząsteczki 0
x+4·(-2)+1=0, x=+7
chlor: stopień utlenienia VII
Cr2O72tlen: stopień utlenienia -2
ładunek cząsteczki -2
2x+7·(-2)= -2, x=+6
chrom: stopień utlenienia VI
Metale
Chętniej oddają elektrony, dlatego najczęściej tworzą kationy i występują w
związkach na dodatnim stopniu utlenienia.
Niemetale
Chętnie przyjmują elektrony tworząc aniony i wystepują na ujemnym stopniu
utlenienia.
Półmetale
Zachowują się najczęściej jak metale i dlatego występują na dodatnim stopniu
utlenienia.
Gazy szlachetne
Mają idealną liczbę elektronów, dlatego bardzo rzadko tworzą związki, a inne
pierwiastki poprzez pobranie lub oddanie dążą do uzyskania konfiguracji
elektronowej odpowiedniego gazu szlachetnego.
Gazy szlachetne
Metale
Niemetale
Półmetale
Żaden pierwiastek nie może uzyskać wyższego
stopnia utlenienia niż tradycyjny numer grupy
( IA, IIA itp..) do której należy.
Wyjątek stanowią Cu, Au.
UTLENIACZ
redukcja
utlenienie
REDUKTOR
Podczas reakcji elektrony przechodzą
od reduktora do utleniacza.
Proces utlenienia przebiega zawsze
równolegle z procesem redukcji i
odwrotnie, redukcji towarzyszy
utlenienie. Utleniacze, utleniając inne
substancje, same ulegają redukcji.
Do substancji ulegających redukcji, czyli utleniaczy należą:
Pierwiastki najbardziej elektroujemne (niemetale) a więc: fluor F2, chlor Cl2, brom
Br2oraz tlen O2,
Jony metali na wyższym stopniu utlenienia.
Związki chemiczne ( jak również ich jony ) w których występują pewne pierwiastki
na najwyższych stopniach utlenienia np. nadmanganian potasowy KMnO4( MnVII),
dwuchromian potasowy K2Cr2O7( CrVI), nadtlenek wodoru H2O2( O-I), azotan
potasowy KNO3( NV) kwas azotowy HNO3( NV) oraz wiele innych.
Do substancji ulegających utlenieniu, czyli reduktorów należą:
Przede wszystkim pierwiastki najbardziej elektrododatnie (metale)
Jony metali i niemetali na niższym stopniu utlenienia.
Niemetale ( np. C, N, S, H )
Związki chemiczne, które posiadają atomy metali lub niemetali na niższym
stopniu utlenienia, np. chlorek cynowy SnCl2, chlorek żelaza FeCl2, kwas siarkowy
(IV) H2SO3, azotan (III) sodu NaNO2, tlenek węgla CO itp.
Przykłady
2Ca + O2--> 2CaO
reduktor
utlenianie- 2Ca0--> 2CaII+ 4e
redukcja- O02+ 4e --> 2O-II
utleniacz
3CuCl2+ 2Al --> 2AlCl3+ 3Cu
utleniacz
3Cu+II+ 6e --> 3Cu0 | redukcja,
2Al0 - 6e --> 2Al+III | utlenienie,
reduktor
Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O
Cu0 – 2e --> Cu+II
SVIO42- + 2e --> SIVO2
reduktor
utleniacz
Wyznaczanie współczynników w równaniach reakcji redoks
Metoda równań połówkowych (ion-electron method) korzysta z faktu, że w wyniku
reakcji chemicznej nie powstaje makroskopowy ładunek elektryczny, co oznacza,
że elektrony nie będą występować w bilansie materiałowym reakcji.
Atom zwiększa swój stopień utlenienia oddając elektrony. W myśl prawa
zachowania masy i ładunku, w reakcji chemicznej ani atomy, ani elektrony nie
mogą zaginąć, więc inny atom musi te elektrony przyjąć (ulega on redukcji).
Równanie reakcji chemicznej można rozbić na dwie części, tzw. równania reakcji
połówkowych.
W jednym równaniu reakcji zachodzi proces utlenienia, a w drugim redukcji. Dla
każdego z równań reakcji połówkowych współczynniki równania dobiera się
oddzielnie.
Liczba elektronów pobranych przez utleniacz musi być równa liczbie elektronów
oddanych przez reduktor. Taką wspólną liczbą elektronów dla reduktora i
utleniacza jest Najmniejsza Wspólna Wielokrotność - NWW.
Zapis reakcji połówkowych:
reduktor A – nA ē → utleniacz A
utleniacz B + nB ē → reduktor B
Bilansowanie reakcji redoks:
reduktor A – nA ē → utleniacz A /×nB
utleniacz B + nB ē → reduktor B /×nA
Zapis reakcji redoks powstaje na skutek dodania reakcji cząstkowych
stronami:
nB reduktor A – nBnA ē + nA utleniacz B + nA nB ē →
nA reduktor B + nB utleniacz A
Algorytm postępowania:
obliczamy stopnie utlenienia atomów po lewej i prawej stronie równania reakcji
(dla substratów i produktów)
Znajdujemy atomy, które zmieniły swój stopień utlenienia. Określamy atom który
uległ redukcji (utleniacz) i atom który uległ utlenieniu ( reduktor)
Zapisujemy połówkowe równania reakcji
- z udziałem atomu, który uległ redukcji
- z udziałem atomu, który uległ utlenieniu (kolejność dowolna)
W równaniu połówkowym jony z atomami, które zmieniły swój stopień utlenienia
powinny być zapisane w takiej postaci w jakiej występują w równaniu reakcji.
Dodać w razie potrzeby H2O czy jony H+, OH- w celu zbilansowania równania
reakcji. Sprawdzamy czy każde z równań reakcji połówkowych z osobna spełnia
prawo zachowania masy i ładunku
Obliczamy NWW (wspólną liczbą elektronów dla reduktora i utleniacza) i
mnożymy przez wyznaczone mnożniki.
Dodajemy stronami równania połówkowe, oraz zsumowujemy wyrażenia
podobne. Jeżeli po tej samej stronie równania reakcji wystąpią jony
wodorotlenowe i wodorowe, to łączymy je w cząsteczki wody.
W końcowym równaniu sprawdzamy bilans masy i ładunków.
Przykłady
1.Reakcja bizmutu z siarką:
2. Substraty Bi0; S0
Produkt BiIII2S-II3
Bi0 - 3e --> BiIII - utlenianie|×2
S0 + 2e --> S-II – redukcja|×3
3. 2Bi0 -6e → 2BiIII
3S0 + 6e → 3S-II
4. 2Bi0 + 3S0- 6e +6e --> Bi2IIIS3-II
Rozpatrywaną reakcję można zapisać jako:
środowisko obojętne: dysponujemy tylko cząsteczkami wody, które możemy
dodać po stronie substratów. Z każdej cząsteczki wody możemy wziąć jeden
brakujący jon wodorowy (powstanie z niej jon wodorotlenowy), lub przyłączyć
do niej jeden atom tlenu (powstaną dwa jony wodorotlenowe). Jeżeli w jednym
równaniu połówkowym powstają jony wodorowe lub wodorotlenowe, możemy
ich użyć w następnym równaniu połówkowym
środowisko kwaśne: dysponujemy dowolną ilością cząsteczek wody i jonów
wodorowych. Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając odpowiednią
ilość cząsteczek wody. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy jonami
wodorowymi H+
środowisko alkaliczne: dysponujemy jonami wodorotlenowymi i cząsteczkami
wody, które możemy dodawać po stronie substratów w takiej ilości by
zbilansować równanie połówkowe pod względem prawa zachowania masy.
Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając jony wodorotlenowe OH- w
ilości dwukrotnie większej. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy
odpowiednią ilością cząsteczek wody.
Reakcja w środowisku obojętnym.
Jeśli środowisko reakcji jest obojętne, do substratów możemy dodawać tylko
wodę.
KM nO4  K 2SO 3  H 2O  M nO2  K 2SO 4  KOH
M nO4  3e  2H 2O  M nO2  4OH 
SO 32  2e  H 2O  SO 24  2H 
2M nO4  6e  4H 2O  2M nO2  8OH 
3SO 32  6e  3H 2O  3SO 24  6H 
2M nO4  6e  4H 2O  3SO 32  6e  3H 2O  2M nO2  8OH   3SO 24  6H 
2M nO4  3SO 32  H 2O  2M nO2  3SO 24  2OH 
2KM nO4  3K 2SO 3  H 2O  2M nO2  3K 2SO 4  2KOH
redukcja 6elektronów



2KM nO4  3K 2SO 3  H 2O  2M nO2  3K 2SO 4  2KOH
Utlenienie -6 elektronów
Reakcja w środowisku kwaśnym
Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając odpowiednią ilość cząsteczek
wody. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy jonami wodorowymi H+
KM nO4  K 2SO 3  H 2SO 4  M nSO4  K 2SO 4  H 2O
M nO4  5e  8H   M n2  4H 2O  2
SO 32  2e  H 2O  SO 24  2H   5
2M nO4  10e  16H   2M n2  8H 2O
5SO 32  10e  5H 2O  5SO 24  10H 
2M nO4  10e  16H   5SO 32  10e  5H 2O  2M n2  8H 2O  5SO 24  10H 
2M nO4  5SO 32  6H   2M n2  5SO 24  3H 2O
2KM nO4  5K 2SO 3  3H 2SO 4  2M nSO4  6K 2SO 4  3H 2O
10 elektronów
redukcja



2KM nO4  5K 2SO 3  3H 2SO 4  2M nSO4  6K 2SO 4  3H 2O
Utlenianie – 10e
Reakcja w środowisku zasadowym
Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając jony wodorotlenowe OH- w ilości
dwukrotnie większej. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy odpowiednią
ilością cząsteczek wody.
KM nO4  K 2SO 3  KOH  K 2 M nO4  K 2SO 4  H 2O
M nO4  e  M nO24
SO 32  2e  2OH   SO 24  H 2O
2M nO4  2e  2M nO24
SO 32  2e  2OH   SO 24  H 2O
2M nO4  2e  SO 32  2e  2OH   2M nO24  SO 24  H 2O
 2e
redukcja


2 KM nO4  K 2SO 3  2KOH  K 2 M nO4  K 2SO 4  H 2O
Utlenienie – 2e
Podsumowanie
Stopień utlenienia to umowny ładunek atomów obliczany przy założeniu, że
cząsteczka składa się z samych jonów.
Stopień utlenienia zaznaczamy liczbą rzymską nad symbolem, a przy
stopniu ujemnym poprzedzamy ją znakiem „-”.
Algebraiczna suma stopni utlenienia w cząsteczce zawsze równa jest „0”.
W związku ze stopniem utlenienia reakcje chemiczne można podzielić na
dwa rodzaje:
-reakcje zachodzące bez zmiany stopnia utlenienia atomów,
- reakcje zachodzące ze zmianą stopnia utlenienia atomów.
W reakcjach redoks liczba oddanych i pobranych elektronów musi być taka
sama.
Utleniacz pobiera elektrony sam się redukując, a reduktor oddaje elektrony
ulegając utlenieniu.
Atomy na najwyższym stopniu utlenienia mogą być tylko utleniaczami a na
najniższym tylko reduktorami.
Mały Pomocnik: http://www.webqc.org/balance.php