Termin "redoks" pochodzi od nazw sprzężonych reakcji REDukcji i OKSydacji (utleniania), w których stopnie utleniania atomów pierwiastków zmianiają się. Podczas reakcji oksydacji, stopnie utlenienia niektórych atomów wzrastają, natomiast w towarzyszącej jej reakcji redukcji stopnie utlenienia innych atomów maleją. Dla reakcji redoks procesy te są ze sobą nierozerwalnie związane i nie mogą zachodzić oddzielnie - sumaryczny wzrost stopnia utlenienia dla wszystkich atomów utlenianych musi być równy całkowitemu obniżeniu się stopnia utleniania dla atomów ulegających redukcji. Pierwiastek (lub pierwiastki), którego atomy w danej reakcji utleniają atomy innego pierwiastka (lub pierwiastków), jednocześnie same ulegają redukcji nazywany jest utleniaczem. Z kolei, pierwiastek powodujący redukcję atomów innego pierwiastka to reduktor.
Uzgadniając równania reakcji typu redoks należy bilansować nie tylko masę (liczby atomów poszczególnych pierwiastków), ale również sumaryczne zmiany stopni ultenienia atomów.

Przykład 1: Prosta reakcja redoks

Rozważmy reakcję redukcji tlenku glinu przy pomocy metalicznego żelaza, niech \( w \), \( x \), \( y \) oraz \( z \) będą nieznanymi współczynnikami stechiometrycznymi:

(1)

\( w\text{Fe}+x\text{Al}_2\text{O}_3 = y\text{FeO} + z\text{Al} \)

Stosując Zasady ustalania stopni utlenienia pierwiastków zapiszmy stopnie utlenienia dla poszczególnych atomów występujących w powyższym równaniu reakcji:

(2)

\( w \overset{\color{blue}0}{\text{Fe}}+x \overset{\color{red}{+3}}{\text{Al}}_2 \overset{-2}{\text{O}}_3 = y \overset{\color{blue}{+2}}{\text{Fe}} \overset{-2}{\text{O}} + z \overset{\color{red}0}{\text{Al}} \)

Ponieważ wolny atom żelaza po lewej stronie równania reakcji ( 2 ), jak i wolny atom glinu po prawej stronie tego równania występują w stanie podstawowym, ich stopinie utlenienia wynoszą zero. W żadnym ze związków biorących udział w rozważanej reakcji nie występuje mostek tlenowy, w związku z tym stopnie utlenienia wszystkich atomów tlenu występujących w tym równaniu muszą być równe -2. Z definicji, każda cząsteczka musi być obojętna elektrycznie, a więc stopnie utlenienia glinu i żelaza w ich tlenkach to odpowiednio +3 i +2.
Jak można wyczytać z równania reakcji ( 2 ), stopnie utleniania dla obydwu metali zmieniają się - żelazo ulega utlenianiu (stopień utlenienia wzrasta od 0 do +2), podczas gdy stopień utlenienia glinu maleje z +3 do 0 (glin ulega redukcji). W rozważanej reakcji żelazo pełni rolę reduktora glinu, glin atomiast jest utleniaczem dla żelaza. Zapiszmy reakcje połówkowe dla powyższych procesów:

(3)

\( \begin{align*}\text{Utlenianie: }& \overset{0}{\text{Fe}} = \text{Fe}^{2+}+2\text{e}^{-} \\ \text{Redukcja: }& \text{Al}^{3+} + 3\text{e}^{-} = \overset{0}{\text{Al}}\end{align*} \)

Należy pamiętać, że rówania reakcji połówkowych zapisujemy w konwencji jonowej zastępując stopnie utlenienia ładunkiem danego jonu. Przyjęte jest, że stopnie utlenienia zapisujemy najpierw podając znak + lub - a następnie wartośc liczbową (np. \( +2 \)), w przypadku ładunku jonu kolejność jest odwrotna (np. \( 2+ \)).
Równość całkowitego wzrostu stopnia utlenienia atomów żelaza i całkowitego spadku stopnia utlenienia atomów glinu wyrażana jest poprzez zbilansowanie liczby elektronów wymienianych pomiędzy reakcjami połówkowymi. Innymi słowy, liczba elektronów generowanych w połówkowej reakcji utleniania musi być równa liczbie elektronów konsumowanych w reakcji redukcji. Jak można zauważyć, ładunek, który jest wymieniany pomiędzy równaniami połówkowymi ( 3 ) nie jest zbilansowany - po prawej stronie reakcji połówkowej utleniania żelaza znajdują się dwa elektrony (dwa mole elektronów), natomiast trzy elektrony (trzy mole elektronów) są wymagane do zredukowania jednego atomu (jednego mola atomów) glinu. W celu zbilansowania ładunku równania połówkowe należy pomnożyć obustronnie odpowiednio przez trzy i dwa:

(4)

\( \overset{0}{\text{Fe}} = \text{Fe}^{2+}+2\text{e}^{-} /\cdot3 \Longrightarrow 3\overset{0}{\text{Fe}} = 3\text{Fe}^{2+}+6\text{e}^{-} \\ \text{Al}^{3+} + 3\text{e}^{-} = \overset{0}{\text{Al}}/\cdot2 \Longrightarrow 2\text{Al}^{3+} + 6\text{e}^{-} = 2\overset{0}{\text{Al}} \)

W kolejnym kroku należy przepisać współczynniki stechiometryczne występujące w rówaniach połówkowych do równania reakcji oraz sprawdzić bilans masy:

(5)

\( \underbrace{3\text{Fe}+\text{Al}_2\text{O}_3}_{\begin{matrix}\text{Fe}: & 3\\ \text{Al}: & 2\\ \text{O}: & 3\end {matrix}} = \underbrace{3\text{FeO}+2\text{Al}}_{\begin{matrix}\text{Fe}: & 3\\ \text{Al}: & 2\\ \text{O}: & 3\end {matrix}} \)

Jak można zauważyć, zbilansowanie ładunku w równaniach połówkowych spowodowało także zbilansowanie masy. Ostatecznie, uzgodnione rówanie reakcji redoks ( 1 ) ma postać:

(6)

\( 3\text{Fe}+\text{Al}_2\text{O}_3 = 3\text{FeO} + 2\text{Al} \)

Stosując zapis jonowy:

(7)

\( 3\text{Fe}+2\text{Al}^{3+} = 3\text{Fe}^{2+} + 2\text{Al} \)

Przykład 2: Reakcja dysproporcjonowania

Rozważmy reakcję termicznego rozkładu chloranu(V) potasu prowadzoną w temperaturze \( 400^{\circ}\text{C} \):

(8)

\( x\text{KClO}_3=y\text{KCl}+z\text{KClO}_4 \)

W powyższej reakcji jedynym pierwiastkiem, którego atomy ulegają zarówno utlenianiu jak i redukcji jest chlor:

(9)

\( x \overset{+1}{\text{K}}\overset{\color{green}{+5}}{\text{Cl}}\overset{-2}{\text{O}}_3 = y \overset{+1}{\text{K}} \overset{\color{red}{-1}}{\text{Cl}}+z \overset{+1}{\text{K}} \overset{\color{blue}{+7}}{\text{Cl}} \overset{-2}{\text{O}}_4 \)

Reakcje połówkowe mają postać:

(10)

\( \begin{align*}\text{Utlenianie: }& \text{Cl}^{5+} = \text{Cl}^{7+}+2\text{e}^{-} \\ \text{Redukcja: }& \text{Cl}^{5+} + 6\text{e}^{-} = \text{Cl}^{-}\end{align*} \)

Jak można zauważyć, do utlenienia jednego mola jonów chloru \( \text{Cl}^{5+} \) potrzebne są dwa mole elektronów, podczas gdy do zredukowania jednego mola tych jonów do \( \text{Cl}^{-} \) wymagane jest dostarczenie sześciu moli elektronów, w celu zbilansowania liczby elektronów wymienianych pomiędzy reakcjami połówkowymi, równanie reakcji utleniania musi zostać pomnożone stronami przez trzy:

(11)

\( \text{Cl}^{5+} = \text{Cl}^{7+}+2\text{e}^{-} /\cdot3 \Longrightarrow 3\text{Cl}^{5+} = 3\text{Cl}^{7+}+6\text{e}^{-} \\\text{Cl}^{5+} + 6\text{e}^{-} = \text{Cl}^{-} \)

W kolejnym etapie należy przepisać współczynniki stechiometryczne stojące przy odpowiednich substratach i produktach w równaniach połówkowych do równania reakcji. Ponieważ ten sam atom nie może jednocześnie ulegać zarówno utlenianiu jak i redukcji, w przypadku związku, w którym występuje chlor na +5 stopniu utleniania, tj. chloran(V) potasu, współczynnik stechiometryczny jest równy sumie współczynników stojących przed \( \text{Cl}^{5+} \) w równaniach połówkowych utleniania i redukcji, a więc współczynnik stechiometryczny \( x=4 \):

(12)

\( \underbrace{4\text{KClO}_3}_{\begin{matrix}\text{K}: & 4\\ \text{Cl}: & 4\\ \text{O}: & 12\end {matrix}} = \underbrace{\text{KCl}+3\text{KClO}_4}_{\begin{matrix}\text{K}: & 4\\ \text{Cl}: & 4\\ \text{O}: & 12\end {matrix}} \)

Ostatecznie, uzgodnione równanie reakcji rozkładu termicznego chloranu(V) potasu ma postać:

(13)

\( 4\text{KClO}_3=\text{KCl}+3\text{KClO}_4 \)

Przykład 3: Złożone reakcje redoks

W niektórych reakcjach redoks występuje więcej niż jedna reakcja utleniania i\lub redukcji. Rozważmy reakcję:

(14)

\( t\text{Bi}(\text{NO}_3)_3+u\text{Al}+w\text{NaOH} = x\text{Bi}+y\text{NH}_3+z\text{NaAlO}_2 \)

Rozpiszmy stopnie utlenienia poszczególnych atomów:

(15)

\( t \overset{\color{green}{+3}}{\text{Bi}}(\overset{\color{blue}{+5}}{\text{N}}\overset{-2}{\text{O}}_3)_3 + u \overset{\color{red}0}{\text{Al}} + w \overset{+1}{\text{Na}}\overset{-2}{\text{O}}\overset{+1}{\text{H}}= x \overset{\color{green}0}{\text{Bi}} + y \overset{\color{blue}{-3}}{\text{N}} \overset{{+1}}{\text{H}}_3 + z \overset{{+1}}{\text{Na}} \overset{\color{red}{+3}}{\text{Al}} \overset{-2}{\text{O}}_2 \)

W rozważanej reakcji redoks aż trzy pierwiastki zmieniają stopnie utlenienia - bizmut oraz azot ulegają redukcji (obydwa pierwiastki są utleniaczami dla glinu), natomiast stopień utlenienia glinu wzrasta (jest redukotorem zarówno dla bizmutu, jak i azotu). Ponieważ po lewej stronie równania reakcji w jednej cząsteczce azotanu(V) bizmutu występują trzy atomy azotu, trójka ta musi zostać uwzględniona w równaniu połówkowym redukcji tego atomów tego pierwiastka:

(16)

\( \begin{align*}\text{Utlenianie: }& \overset{0}{\text{Al}} = \text{Al}^{3+}+3\text{e}^{-}\\ \text{Redukcja: }& \text{Bi}^{3+} + 3\text{e}^{-} = \overset{0}{\text{Bi}} \\ \text{Redukcja: }& 3\text{N}^{5+} + 24\text{e}^{-} = 3\text{N}^{3-}\end{align*} \)

W przypadku złożonych reakcji redoks należy bilansować sumaryczny wzrost stopni utlenienia wszystkich atomów ulegających utlenianiu we wszystkich reakcjach połówkowych utleniania z całkowitym spadkiem stopni utleniania wszystkich atomów ulegających redukcji dla wszystkich reakcji redukcji. Innymi słowy, suma elektronów generowana we wszystkich reakcjach połówkowych utleniania musi być równa całkowitej liczbie elektronów akceptowanych w reakcjach połówkowych redukcji. Dla reakcji połówkowych ( 16 ) w reakcji utleniania trzy mole elektronów są produktem utleniania jednego mola atomów glinu, podczas gdy reakcje redukcji wymagają dostarczenia w sumie dwudziestu siedmiu elektronów. W celu zbilansowania tych równań pod względem elektronowym należy pomnożyć stronami równanie utleniania glinu przez dziewięć:

(17)

\( \overset{0}{\text{Al}} = \text{Al}^{3+}+3\text{e}^{-} /\cdot9 \Longrightarrow 9\overset{0}{\text{Al}} = 9\text{Al}^{3+}+27\text{e}^{-} \\ \text{Bi}^{3+} + 3\text{e}^{-} = \overset{0}{\text{Bi}} \\ 3\text{N}^{5+} + 24\text{e}^{-} = 3\text{N}^{3-} \)

Po przepisaniu współczynników stechiometrycznych z równań połówkowych do równania reakcji ( 14 ) oraz zbilansowaniu atomów sodu otrzymujemy:

(18)

\( \underbrace{\text{Bi}(\text{NO}_3)_3 + 9\text{Al} + 9\text{NaOH}}_{\begin{matrix} \text{Bi}: & 1 \\ \text{N}: & 6 \\ \text{O}: & 18 \\ \text{Al}: & 9 \\ \text{Na}: & 9 \\ \text{H}: & 9 \end {matrix}} = \underbrace{\text{Bi}+3\text{NH}_3+9\text{NaAlO}_2}_{\begin{matrix}\text{Bi}: & 1 \\ \text{N}: & 6 \\ \text{O}: & 18 \\ \text{Al}: & 9 \\ \text{Na}: & 9 \\ \text{H}: & 9 \end {matrix}} \)

Ostatecznie, zbilansowane równanie reakcji ma postać:

(19)

\( \text{Bi}(\text{NO}_3)_3 + 9\text{Al} + 9\text{NaOH} =\text{Bi}+3\text{NH}_3+9\text{NaAlO}_2 \)

Zadanie 1: Reakcje redoks

Treść zadania:

Uzgodnij poniższe rówania reakcji redoks ( \( t \), \( u \), \( w \), \( x \), \( y \) oraz \( z \) są nieznanymi współczynnikami stechiometrycznymi):

\( x\text{KClO}_3=y\text{KClO}_4+z\text{O}_2 \)
\( u\text{Mg}+w\text{HNO}_3 = x\text{Mg}(\text{NO}_3)_2 + y\text{N}_2 \text{O}+z\text{H}_2 \text{O} \)
\( u\text{CH}_3 \text{NH}_2 + w\text{O}_2 = x\text{CO}_2 + y\text{H}_2 \text{O}+z\text{NO} \)
\( t\text{As}_2 \text{S}_5 + u\text{HNO}_3 = w\text{As}(\text{NO}_3)_5 + x\text{H}_2 \text{SO}_4+y\text{NO}+z\text{H}_2 \text{O} \)

Rozwiązanie:

Ad. 1. \( 2\text{KClO}_3=2\text{KClO}_4+3\text{O}_2 \)
Ad. 2. \( 4\text{Mg}+10\text{HNO}_3 = 4\text{Mg}(\text{NO}_3)_2 + \text{N}_2 \text{O}+5\text{H}_2 \text{O} \)
Ad. 3. \( 4\text{CH}_3 \text{NH}_2 + 11\text{O}_2 = 4\text{CO}_2 + 10\text{H}_2 \text{O}+4\text{NO} \)
Ad. 4. \( 3\text{As}_2 \text{S}_5 + 70\text{HNO}_3 = 6\text{As}(\text{NO}_3)_5 + 15\text{H}_2 \text{SO}_4+40\text{NO}+20\text{H}_2 \text{O} \)

Moduł opracowano na podstawie [1], [2], [3].

Bibliografia

1. Z. Kalicka, E. Kawecka-Cebula, M. Szałkowicz: Zbiór zadań z chemii ogólnaj dla studentów metalurgii, Wydawnictwo AGH, Kraków 1991
2. K.M. Pazdro: Zbiór zadań z chemii dla szkół średnich, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa 1994
3. J. Banaś i W. Solarski (Red.): Chemia dla inżynierów. Materiały do kształcenia w systemie otwartym, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczn, Kraków 2008

Link

Temat:
Opis:
Typ:

Email: