W module Reakcje redoks - zapis i uzgadnianie przedstawiony został ogólny sposób bilansowania równań reakcji typu redoks bez rozważania wpływu odczynu roztworu. W tym module skupimy się na uzgadnianiu równań reakcji redoks zapisanych przy użyciu notacji jonowej oraz przy założeniu, że odczyn roztworu, w którym dana reakcja zachodzi jest kwasowy.

Przykład 1: Reakcja redoks w środowisku kwasowym

Reakcję roztwarzania magnezu w kwasie azotowym(V) ( \( pH<7 \)) można zapisać jonowo w następujący sposób:

(1)

\( t\text{Mg}+u\text{H}^{+}+w{\text{NO}_3}^{-}=x{\text{Mg}}^{2+}+y{\text{N}_2\text{O}}+z{\text{H}_2\text{O}} \)

Stosując odpowiednie reguły ustalania stopni utlenienia pierwiastków można zapisać:

(2)

\( t \overset{\color{red}0}{\text{Mg}}+u \overset{+1}{\text{H}^{+}}+w \overset{\color{blue}{+5}}{\text{N}}\overset{-2}{\text{O}}_3^{-}=x \overset{\color{red}{+2}}{{\text{Mg}}^{2+}}+y \overset{\color{blue}{+1}}{\text{N}}_2 \overset{-2}{\text{O}}+ \overset{+1}{\text{H}}_2 \overset{-2}{\text{O}} \)

Zapiszmy rówania połówkowe w nieco inny niż przedstawiony w module Reakcje redoks - zapis i uzgadnianie sposób, mianowicie bez bilansowania ładunku w obrębie pojedynczego równania połówkowego:

(3)

\( \text{Utlenianie: } \overset{0}{\text{Mg}}=\text{Mg}^{2+} \\ \text{Redukcja: } {\text{NO}_3}^{-}=\text{N}_2 \text{O} \)

Jak można zauważyć, w równaniu połówkowym utleniania, zachowana jest masa - po obydwu stronach tego równania występuje pojedynczy atom lub jon magnezu. Aby zbilansować ładunek w tym równaniu wystarczy dopisać po jego prawej stronie dwa elektrony. W przypadku drugiego z równań połówkowych nie jest zbilansowana ani masa ani ładunek. Po lewej stronie tego równania całkowity ładunek to 1-, podczasy gdy dla prawej wynosi on zero. W przypadku masy, po stronie lewej równania występuje tylko jeden atom azotu oraz trzy atomy tlenu, natomiast po prawej dwa atomy azotu i jeden tlenu. Zbilansowanie liczby atomów azotu wymaga dopisania współczynnika stechiometrycznego równego dwa przed anionem po lewej stronie tego równania:

(4)

\( \overset{0}{\text{Mg}}=\text{Mg}^{2+}+2\text{e}^{-} \\ \underbrace{2{\text{NO}_3}^{-}}_{\begin{matrix}\text{N}: & 2 \\ \text{O}: & 6 \\ \text{H}: & 0 \\ \text{Ładunek:} & 2-\end {matrix}} = \underbrace{\text{N}_2\text{O}}_{\begin{matrix}\text{N}: & 2 \\ \text{O}: & 2 \\ \text{H}: & 0 \\ \text{Ładunek:} & 0\end {matrix}} \)

Dopisanie dwójki w równaniu połówkowym redukcji spowodowało zmianę wartości całkowitego ładunku po lewej stronie do 2- oraz zwiększenie liczby atomów tlenu do sześciu. W celu zbilansowania atomów tlenu, po prawej stronie równania należy dopisać pięć cząsteczek wody:

(5)

\( \overset{0}{\text{Mg}}=\text{Mg}^{2+}+2\text{e}^{-} \\ \underbrace{2{\text{NO}_3}^{-}}_{\begin{matrix}\text{N}: & 2 \\ \text{O}: & 6 \\ \text{H}: & 0 \\ \text{Ładunek:} & 0\end {matrix}} = \underbrace{\text{N}_2\text{O}+5\text{H}_2\text{O}}_{\begin{matrix}\text{N}: & 2 \\ \text{O}: & 6 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 0\end {matrix}} \)

Po prawej stronie równania redukcji azotu występuje dziesięć atomów, których brak po lewej stronie tego równania. Ponieważ rozważana reakcja roztwarzania magnezu zachodzi w środowisku kwasowym, można dopisać po lewej stronie równania połówkowego dziesięć jonów \( \text{H}^{+} \):

(6)

\( \overset{0}{\text{Mg}}=\text{Mg}^{2+}+2\text{e}^{-} \\ \underbrace{2{\text{NO}_3}^{-}+10\text{H}^{+}}_{\begin{matrix}\text{N}: & 2 \\ \text{O}: & 6 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 8+\end {matrix}} = \underbrace{\text{N}_2\text{O}+5\text{H}_2\text{O}}_{\begin{matrix}\text{N}: & 2 \\ \text{O}: & 6 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 0\end {matrix}} \)

W kolejnym etapie należy zbilansować ładunek w obrębie rówania redukcji azotu a następnie pomiędzy równaniami połówkowymi. W tym celu należy dopisać osiem elektronów po lewej stronie drugiego z równań połówkowych oraz przemnożyć stronami równanie utleniania magnezu przez cztery:

(7)

\( 4\overset{0}{\text{Mg}}=4\text{Mg}^{2+}+8\text{e}^{-} \\ \underbrace{2{\text{NO}_3}^{-}+10\text{H}^{+}+8\text{e}^{-}}_{\begin{matrix}\text{N}: & 2 \\ \text{O}: & 6 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 0\end {matrix}} = \underbrace{\text{N}_2\text{O}+5\text{H}_2\text{O}}_{\begin{matrix}\text{N}: & 2 \\ \text{O}: & 6 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 0\end {matrix}} \)

Po przepisaniu współczynników stechiometrycznych z równań reakcji połówkowych do równania ( 1 ) otrzymujemy zbilansowane równanie reakcji roztwarzania magnezu:

(8)

\( 4\text{Mg}+10\text{H}^{+}+2{\text{NO}_3}^{-}=4{\text{Mg}}^{2+}+{\text{N}_2\text{O}}+5{\text{H}_2\text{O}} \)

Przykład 2: Reakcja redoks w środowisku kwasowym

Rozważmy reakcję kwasu chlorowego(V) z kwasem siarkowym(IV) zapisaną jonowo:

(9)

\( w{\text{ClO}_{3}}^{-}+x{\text{SO}_{3}}^{2-}=y\text{Cl}^{-}+z{\text{SO}_{4}}^{2-} \)

W czasie zachodzenia reakcji zmianiają się stopnie utlenienia chloru, jak i siarki. Chlor ulega redukcji, jego stopień utlenienia zmienia się z +5 do -1, jednocześnie stopień utlenienia siarki wzrasta z +4 do +6:

(10)

\( w \overset{\color{red}{+5}}{\text{Cl}} \overset{-2}{\text{O}_{3}^{-}}+x \overset{\color{blue}{+4}}{\text{S}} \overset{-2}{\text{O}_{3}^{2-}}=y \overset{\color{red}{-1}}{\text{Cl}^{-}}+z \overset{\color{blue}{+6}}{\text{S}} \overset{-2}{\text{O}_{4}^{2-}} \)

Reakcje połówkowe utleniania i redukcji mają postać:

(11)

\( \text{Utlenianie: } {\text{SO}_3}^{2-} = {\text{SO}_4}^{2-} \\ \text{Redukcja: } {\text{ClO}_3}^{-} = \text{Cl}^{-} \)

W pierwszej z reakcji połówkowych występuje nadmiar atomów tlenu po stronie prawej w stosunku do lewej. W przypadku reakcji redukcji chloru tlen obecny jest tylko po lewej stronie tego rówania:

(12)

\( \underbrace{{\text{SO}_3}^{2-}}_{\begin{matrix}\text{S}: & 1 \\ \text{O}: & 3 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} = \underbrace{{\text{SO}_4}^{2-}}_{\begin{matrix}\text{S}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} \\ \underbrace{{\text{ClO}_3}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 3 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} = \underbrace{\text{Cl}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 0 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} \)

W celu zbilansowania liczby atomów tlenu w obrębie równań należy dopisać do każdego z nich cząsteczki wody:

(13)

\( \underbrace{{\text{SO}_3}^{2-}+\text{H}_2 \text{O}}_{\begin{matrix}\text{S}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{H}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} = \underbrace{{\text{SO}_4}^{2-}}_{\begin{matrix}\text{S}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} \\ \underbrace{{\text{ClO}_3}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 3 \\ \text{H}: & 0 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} = \underbrace{\text{Cl}^{-}+3\text{H}_2 \text{O}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 3 \\ \text{H}: & 6 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} \)

Wprowadzenie do równań reakcji cząsteczek wody spowodowało pojawienie się atomów wodoru, które należy zbilansować dopisując jony \( \text{H}^{+} \) do odpowiedniej strony równania reakcji połówkowej:

(14)

W konsekwencji, jony wodorowe spowodowały zmianę całkowitego ładunku dla danej strony równania reakcji połówkowej, który z kolei musi zostać zbilansowany poprzez dopisanie odpowiedniej ilości elektronów, a także należy pomnożyć obustronnie równanie reakcji utleniania siarki przez 3 w celu uzgodnienia ilości elektronów wymienianych pomiędzy równaniami połówkowymi:

(15)

\( \underbrace{{\text{SO}_3}^{2-}+\text{H}_2 \text{O}}_{\begin{matrix}\text{S}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{H}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} = \underbrace{{\text{SO}_4}^{2-}+2\text{H}^{+}+2\text{e}^{-}}_{\begin{matrix}\text{S}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{H}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}}/\cdot3 \Longrightarrow \underbrace{3{\text{SO}_3}^{2-}+3\text{H}_2 \text{O}}_{\begin{matrix}\text{S}: & 3 \\ \text{O}: & 12 \\ \text{H}: & 6 \\ \text{Ładunek:} & 6- \end {matrix}} = \underbrace{3{\text{SO}_4}^{2-}+6\text{H}^{+}+6\text{e}^{-}}_{\begin{matrix}\text{S}: & 3 \\ \text{O}: & 12 \\ \text{H}: & 6 \\ \text{Ładunek:} & 6- \end {matrix}} \\ \underbrace{{\text{ClO}_3}^{-}+6\text{H}^{+}+6\text{e}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 3 \\ \text{H}: & 6 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} = \underbrace{\text{Cl}^{-}+3\text{H}_2 \text{O}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 3 \\ \text{H}: & 6 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} \)

Ostatecznie, zbilansowane równanie reakcji ( 9 ) ma postać:

(16)

\( {\text{ClO}_{3}}^{-}+3{\text{SO}_{3}}^{2-}=\text{Cl}^{-}+3{\text{SO}_{4}}^{2-} \)

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie 1: Reakcje redoks w środowiskach o odczynie kwasowym

Treść zadania:

Uzgodnij poniższe równania reakcji redoks, przyjmując, że odczyn roztworu jest kwasowy ( \( pH<7 \)):

\( w{\text{Cr}_2 \text{O}_7}^{2-}+x{\text{NO}_2}^{-}=y\text{Cr}^{3+}+z{\text{NO}_3}^{-} \)
\( u\text{H}^{+}+w\text{H}_2 \text{O}_2+x\text{Fe}^{2+}=y\text{Fe}^{3+}+z\text{H}_2 \text{O} \)
\( t\text{H}^{+}+u\text{H}_2 \text{O}+w{\text{MnO}_4}^{-}+x\text{SO}_2=y\text{Mn}^{2+}+z{\text{HSO}_4}^{-} \)
\( w\text{Cr}^{3+}+x{\text{BiO}_3}^{-}=y{\text{Cr}_2 \text{O}_7}^{2-}+z\text{Bi}^{3+} \)

Rozwiązanie:

Ad. 1. \( {\text{Cr}_2 \text{O}_7}^{2-}+2{\text{NO}_2}^{-}+8\text{H}^{+}=2\text{Cr}^{3+}+z{\text{NO}_3}^{-}+4\text{H}_2 \text{O} \)
Ad. 2. \( 2\text{H}^{+}+\text{H}_2 \text{O}_2+2\text{Fe}^{2+}=2\text{Fe}^{3+}+2\text{H}_2 \text{O} \)
Ad. 3. \( \text{H}^{+}+2\text{H}_2 \text{O}+2{\text{MnO}_4}^{-}+5\text{SO}_2=2\text{Mn}^{2+}+5{\text{HSO}_4}^{-} \)
Ad. 4. \( 4\text{H}^{+}+2\text{Cr}^{3+}+3{\text{BiO}_3}^{-}={\text{Cr}_2 \text{O}_7}^{2-}+3\text{Bi}^{3+}+2\text{H}_2 \text{O} \)

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

Bibliografia

1. Z. Kalicka, E. Kawecka-Cebula, M. Szałkowicz: Zbiór zadań z chemii ogólnej 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-Dydaktyczne, Kraków 2008

Link

Temat:
Opis:
Typ:

Email: