Opierając się na regułach ustalania stopni utlenienia pierwiastków zapiszmy je dla atomów pierwiastków biorących udział w rozważanej reakcji. Jak można zauważyć, zmieniają się stopnie utleniania chromu (ulega on reakcji utleniania) oraz bromu, który ulega redukcji:

(2)

\( w \overset{\color{red}{+3}}{\text{Cr}} (\overset{-2}{\text{O}} \overset{+1}{\text{H}})_3+x \overset{\color{blue}{0}}{\text{Br}_2}=y \overset{\color{red}{+6}}{\text{Cr}} \overset{-2}{\text{O}_4^{2-}}+z \overset{\color{blue}{-1}}{\text{Br}^{-}} \)

Zapiszmy reakcje połówkowe utleniania chromu oraz redukcji bromu w sposób jak przedstawiony w module Reakcje redoks w środowisku kwasowym:

(3)

\( \text{Utlenianie: } \text{Cr}(\text{OH})_3 = {\text{CrO}_4}^{2-} \\ \text{Redukcja: } \text{Br}_2 = \text{Br}^{-} \)

W kolejnym kroku policzmy atomy poszczególnych pierwiastków oraz sumaryczny ładunek dla danej strony równania połówkowego:

(4)

\( \underbrace{\text{Cr}(\text{OH})_3}_{\begin{matrix} \text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 3 \\ \text{H}: & 3 \\ \text{Ładunek:} & 0 \end {matrix}} = \underbrace{{\text{CrO}_4}^{2-}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{H}: & 0 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} \\ \underbrace{\text{Br}_2}_{\begin{matrix}\text{Br}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 0 \end {matrix}} = \underbrace{\text{Br}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Br}: & 1 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} \)

W celu zbilansowania atomów tlenu i wodoru w pierwszym z równań połówkowych należy dopisać po jego lewej stronie trzy cząsteczki wody oraz pięć jonów \( \text{H}^{+} \). W równaniu redukcji bromu należy zmienić wartość współczynnika stechiometrycznego przed jonem bromkowym na dwa oraz aby zbilansować całkowity ładunek, dopisać dwa elektrony po stronie lewej tego równania:

(5)

\( \underbrace{\text{Cr}(\text{OH})_3+\text{H}_2 \text{O}}_{\begin{matrix} \text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{H}: & 5 \\ \text{Ładunek:} & 0 \end {matrix}} = \underbrace{{\text{CrO}_4}^{2-}+5\text{H}^{+}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{H}: & 5 \\ \text{Ładunek:} & 3+ \end {matrix}} \\ \underbrace{\text{Br}_2 + 2\text{e}^{-}}_{\begin{matrix} \text{Br}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} = \underbrace{2\text{Br}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Br}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} \)

Ponieważ reakcja zachodzi w środowisku zasadowym, pojawienie się jonów wodorowych będzie równoważone przez jony hydroksylowe, z którymi utworzą cząsteczki wody:

(6)

\( \underbrace{\text{Cr}(\text{OH})_3+\text{H}_2 \text{O}+5\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix} \text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 5- \end {matrix}} = \underbrace{{\text{CrO}_4}^{2-}+\overbrace{5\text{H}^{+}+5\text{OH}^{-}}^{5\text{H}_2 \text{O}}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} \\ \underbrace{\text{Br}_2 + 2\text{e}^{-}}_{\begin{matrix} \text{Br}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} = \underbrace{2\text{Br}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Br}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} \)

Do lewej strony rówania utleniania chromu należy dopisać trzy elektrony w celu zbilansowania ładunku w obrębie tego równania połówkowego:

(7)

\( \underbrace{\text{Cr}(\text{OH})_3+\text{H}_2 \text{O}+5\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix} \text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 5- \end {matrix}} = \underbrace{{\text{CrO}_4}^{2-}+5\text{H}_2 \text{O}+3\text{e}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 5- \end {matrix}} \\ \underbrace{\text{Br}_2 + 2\text{e}^{-}}_{\begin{matrix} \text{Br}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} = \underbrace{2\text{Br}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Br}: & 2 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} \)

Obustronne pomnożenie równań połówkowych przez odpowiednio dwa i trzy bilansuje ilość elektronów wymienianych pomiędzy tymi reakcjami:

(8)

Sumaryczne równanie reakcji ma postać:

(9)

\( 2\text{Cr}(\text{OH})_3+2\text{H}_2 \text{O}+10\text{OH}^{-}+3\text{Br}_2+6\text{e}^{-}=2{\text{CrO}_4}^{2-}+10\text{H}_2 \text{O}+6\text{Br}^{-}+6\text{e}^{-} \)

Po uporządkowaniu otrzymujemy ostateczną postać zbilansowanego równania reakcji wodorotlenku chromu(III) z gazowym bromem:

(10)

\( 2\text{Cr}(\text{OH})_3+10\text{OH}^{-}+3\text{Br}_2=2{\text{CrO}_4}^{2-}+8\text{H}_2 \text{O}+6\text{Br}^{-} \)

Przykład 2: Reakcja redoks w środowisku zasadowym

Uzgodnij poniższe równanie reakcji redoks zachodzącej w środowisku o odczynie zasadowym:

(11)

\( x\text{Cr}(\text{OH})_3+x{\text{ClO}_3}^{-}=y{\text{CrO}_4}^{2-}+z\text{Cl}^{-} \)

W reakcji tej chrom pełni rolę reduktora dla atomów chloru:

(12)

\( w \overset{\color{red}{+3}}{\text{Cr}} (\overset{-2}{\text{O}} \overset{+1}{\text{H}})_3+x \overset{\color{blue}{+5}}{\text{Cl}} \overset{-2}{\text{O}_3^{-}}=y \overset{\color{red}{+6}}{\text{Cr}} \overset{-2}{\text{O}_4^{2-}}+z \overset{\color{blue}{-1}}{\text{Cl}^{-}} \)

Reakcje połówkowe mają postać:

(13)

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

W pierwszym z rówanań zarówno masa jak i ładunek nie są zachowane, podczas gdy dla reakcji redukcji chloru jedynie liczba atomów tlenu wymaga zbilansowania na tym etapie uzgadniania równania reakcji:

(14)

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

Dopiszmy do odpowiednich stron równań połówkowych pewne liczby cząsteczek wody oraz jonów \( \text{H}^{+} \). W efekcie otrzymujemy zbliansowane pod względem masy równania reakcji połówkowych:

(15)

\( \underbrace{{\text{Cr}(\text{OH})_3}+\text{H}_2 \text{O}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{H}: & 5 \\ \text{Ładunek:} & 0 \end {matrix}} = \underbrace{{\text{CrO}_4}^{2-}+5\text{H}^{+}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 4 \\ \text{H}: & 5 \\ \text{Ładunek:} & 3+ \end {matrix}} \\ \underbrace{{\text{ClO}_3}^{-}+6\text{H}^{+}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 3 \\ \text{H}: & 6 \\ \text{Ładunek:} & 5+ \end {matrix}} = \underbrace{\text{Cl}^{-}+3\text{H}_2 \text{O}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 3 \\ \text{H}: & 6 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} \)

Ponieważ środowiskiem reakcji jest roztwór o odczynie zasadowym, jony wodorowe będą neutralizowane przez jony hydroksylowe. Aby nie zaburzać bilansu masy w równaniach połówkowych dopiszmy do obydwu stron danego równania taką samą liczbę jonów \( \text{OH}^{-} \):

(16)

\( \underbrace{{\text{Cr}(\text{OH})_3}+\text{H}_2 \text{O}+5\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 5- \end {matrix}} = \underbrace{{\text{CrO}_4}^{2-}+5\text{H}^{+}+5\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} \\ \underbrace{{\text{ClO}_3}^{-}+6\text{H}^{+}+6\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 12 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} = \underbrace{\text{Cl}^{-}+3\text{H}_2 \text{O}+6\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 12 \\ \text{Ładunek:} & 7- \end {matrix}} \)

Jony \( \text{H}^{+} \) reagują z \( \text{OH}^{-} \) tworząc cząsteczki wody:

(17)

\( \underbrace{{\text{Cr}(\text{OH})_3}+\text{H}_2 \text{O}+5\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 5- \end {matrix}} = \underbrace{{\text{CrO}_4}^{2-}+\overbrace{5\text{H}^{+}+5\text{OH}^{-}}^{5\text{H}_2 \text{O}}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 10 \\ \text{Ładunek:} & 2- \end {matrix}} \\ \underbrace{{\text{ClO}_3}^{-}+\overbrace{6\text{H}^{+}+6\text{OH}^{-}}^{6\text{H}_2 \text{O}}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 12 \\ \text{Ładunek:} & 1- \end {matrix}} = \underbrace{\text{Cl}^{-}+3\text{H}_2 \text{O}+6\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 9 \\ \text{H}: & 12 \\ \text{Ładunek:} & 7- \end {matrix}} \)

Po uporządkowaniu równań oraz dopisaniu odpowiedniej liczby elektronów otrzymujemy zbilansowane równania połówkowe reakcji:

(18)

\( \underbrace{{\text{Cr}(\text{OH})_3}+5\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 8 \\ \text{H}: & 8 \\ \text{Ładunek:} & 5- \end {matrix}} = \underbrace{{\text{CrO}_4}^{2-}+4\text{H}_2 \text{O}+3\text{e}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cr}: & 1 \\ \text{O}: & 8 \\ \text{H}: & 8 \\ \text{Ładunek:} & 5- \end {matrix}} \\ \underbrace{{\text{ClO}_3}^{-}+3\text{H}_2 \text{O}+6\text{e}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 6 \\ \text{H}: & 6 \\ \text{Ładunek:} & 7- \end {matrix}} = \underbrace{\text{Cl}^{-}+6\text{OH}^{-}}_{\begin{matrix}\text{Cl}: & 1 \\ \text{O}: & 6 \\ \text{H}: & 6 \\ \text{Ładunek:} & 7- \end {matrix}} \)

Sumaryczne równanie reakcji można zapisać:

(19)

\( 2\text{Cr}(\text{OH})_3+10\text{OH}^{-}+{\text{ClO}_3}^{-}+3\text{H}_2 \text{O}+6\text{e}^{-}=2{\text{CrO}_4}^{2-}+8\text{H}_2 \text{O}+6\text{e}^{-}+\text{Cl}^{-}+6\text{OH}^{-} \)

Ostatecznie, zbilansowane równanie reakcji ma postać:

(20)

\( 2\text{Cr}(\text{OH})_3+4\text{OH}^{-}+{\text{ClO}_3}^{-}=2{\text{CrO}_4}^{2-}+5\text{H}_2 \text{O}+\text{Cl}^{-} \)

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie 1: Reakcje redoks w środowiskach o odczynie zasadowym

Treść zadania:

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

\( w{\text{MnO}_4}^{-}+x\text{CN}^{-}=y\text{MnO}_2+z\text{CNO}^{-} \)
\( w{\text{MnO}_4}^{-}+x{\text{C}_2 \text{O}_4}^{2-}=y\text{MnO}_2+z\text{CO}_2 \)
\( w{\text{Bi}(\text{OH})_3}+x{\text{SnO}_2}^{2-}=y{\text{SnO}_3}^{2-}+z\text{Bi} \)
\( w\text{I}^{-}+x{\text{ClO}_3}^{-}=y\text{I}_2+z\text{Cl}^{-} \)

Rozwiązanie:

Ad. 1. \( 2{\text{MnO}_4}^{-}+3\text{CN}^{-}+\text{H}_2 \text{O}=2\text{MnO}_2+3\text{CNO}^{-}+2\text{OH}^{-} \)
Ad. 2. \( 2{\text{MnO}_4}^{-}+3{\text{C}_2 \text{O}_4}^{2-}+4\text{H}_2 \text{O}=2\text{MnO}_2+6\text{CO}_2+8\text{OH}^{-} \)
Ad. 3. \( 2{\text{Bi}(\text{OH})_3}+3{\text{SnO}_2}^{2-}=3{\text{SnO}_3}^{2-}+2\text{Bi}+3\text{H}_2 \text{O} \)
Ad. 4. \( 6\text{I}^{-}+{\text{ClO}_3}^{-}+3\text{H}_2 \text{O}=3\text{I}_2+\text{Cl}^{-}+6\text{OH}^{-} \)

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: