Bilansowanie równań reakcji utleniania-redukcji.

Reakcje redoks to takie procesy chemiczne, w których jedne substancje ulegają utlenianiu, a inne – redukcji. Oznacza to, że zmienia się ich stopień utlenienia. Dla substancji utlenianej – rośnie, a dla redukowanej – maleje. Uzupełnianie produktów i dobieranie współczynników stechiometrycznych reakcji jest zadaniem koniecznym, ale często dla niektórych trudnym. Szczególnie w reakcjach utleniania-redukcji. Rekcje redoks na maturze pojawią się na pewno, dlatego dla przypomnienia prześledźmy dekalog bilansowania równań redoks.

Na początek poznajmy reguły wspomnianego dekalogu:

1. dzielimy zapis reakcji na dwie reakcje połówkowe – niezbędna jest tu umiejętność wyróżnienia utleniacz i reduktora;

2. uzgadniamy niemetale – niemetal nie oznacza tu tlenu i wodoru!

3. uzgadniamy metale;

4. po tej stronie reakcji, w której jest za mało atomów tlenu, dopisujemy je w postaci cząsteczek H₂O;

5. po tej stronie reakcji, w której jest za mało atomów wodoru, dopisujemy właściwą liczbę jonów H⁺;

6. obliczamy sumy ładunków po obu stronach równania i wyrównujemy je poprzez dopisanie odpowiedniej liczby elektronów (pamiętamy, że elektron ma ładunek (-));

7. czynności od reguły 1 do 6 wykonujemy teraz na drugiej reakcji połówkowej;

8. sprawdzamy, czy w obu tych reakcjach liczby elektronów są jednakowe. Jeśli nie, to mnożymy je przez odpowiednie liczby, by ilość elektronów była jednakowa. Po tej czynności dodajemy stronami obie reakcje;

9. sprawdzamy, co da się uprościć;

10. jeśli wiadomo, że reakcja przebiega w roztworze obojętnym lub zasadowym, a po lewej stronie równania obecne są jony H⁺, to usuwamy je, dodając do obu stron równania taką liczbę jonów OH^-, by po lewej stronie związać wszystkie jony H⁺ i utworzyć cząsteczki H₂O.

By sprawdzić ten sposób bilansowania reakcji, rozważmy przykład.

Przykład

Reakcja utleniania etanolu z pomocą nadmanganianu potasu KMnO₄ w środowisku kwaśnym.

Trzeba wiedzieć, że w trakcie takiej reakcji jony MnO₄^- ulegają redukcji do jonów Mn²⁺.

Pierwszą z reakcji połówkowych zapisujemy:

MnO₄^- Mn²⁺

Zgodnie z regułami 2 i 3 uzgadniamy najpierw mangan – po obu stronach jest tyle samo. Teraz tlen – reguła 3 każe dopisać tyle cząsteczek wody, by po obu stronach było po cztery atomy tlenu:

MnO₄^- Mn²⁺ + 4 H₂O

Tlen uzgodniony, ale z wodorem nie jest dobrze – zgodnie z regułą 5 dopisujemy po lewej stronie właściwą liczbę jonów H⁺:

MnO₄^- + 8 H⁺ Mn²⁺ + 4 H₂O

Przystąpmy teraz do policzenia ładunków. Po lewej stronie jest (-1) + 8(+1) = +7. Po prawej mamy (+2). Nie zgadza się, więc wyrównujemy liczbę ładunków, dopisując 5 elektronów po lewej stronie:

MnO₄^- + 8 H⁺ + 5e^- Mn²⁺ + 4 H₂O

Pierwsza reakcja połówkowa zapisana.

Druga reakcja połówkowa wymaga znajomości schematu:

Alkohol Kwas

CH₃CH₂OH CH₃COOH

Policzmy ilość węgla (reguła 2) – po obu stronach taka sama ilość.

Metali nie ma, więc uzgadniamy ilość tlenu (reguła 4) – po lewej stronie trzeba dopisać wodę:

CH₃CH₂OH + H₂O CH₃COOH

Tlen już OK! Zabierzmy się za wodór – zgodnie z regułą 5 dopisujemy jony H⁺ po prawej stronie:

CH₃CH₂OH + H₂O CH₃COOH + 4H⁺

Wyrównajmy ładunki z pomocą elektronów:

CH₃CH₂OH + H₂O CH₃COOH + 4H⁺ + 4e^-

Druga reakcja połówkowa jest teraz gotowa.

Czas na regułę 8:

- wyrównujemy liczby elektronów w reakcjach połówkowych, mnożąc je przez odpowiednie liczby:

MnO₄^- + 8 H⁺ + 5e^- Mn²⁺ + 4 H₂O / 4

CH₃CH₂OH + H₂O CH₃COOH + 4H⁺ + 4e^- / 5

- dodajemy reakcje stronami:

4MnO₄^- + 32 H⁺ + 20e^- + 5CH₃CH₂OH + 5H₂O 4Mn²⁺ + 16 H₂O + 5CH₃COOH + 20H⁺ + 20e^-

Porządkujemy równanie zgodnie z regułą 9 – redukujemy jony wodorowe po stronie prawej i cząsteczki wody po lewej:

4MnO₄^- + 12 H⁺ + 5CH₃CH₂OH 4Mn²⁺ + 11 H₂O + 5CH₃COOH

Bilans reakcji wykonany! Proste, prawda?

I dla leniuszków skrót najważniejszych informacji:

By dobrać współczynniki metodą bilansu elektronowego należy:
1. Zapisać reakcje i określić stopień utlenienia
każdego atomu.
2. Wskazać co się utlenia i co się redukuje
3. Zapisać równania redukcji i utleniania
(równania połówkowe)
4. Metodą przeciwnych współczynników usunąć
z układu równań elektrony
5. Wpisać otrzymane współczynniki do równania reakcji
6. Określić pozostałe współczynniki stechiometryczne
7. Wskazać utleniacz i reduktor.

WAŻNE WSKAZÓWKI
- Gdy pierwiastek zmniejsza swój stopień utlenienia mówimy o redukcji
- Gdy pierwiastek zwiększa swój stopień utleniania mówimy o utlenianiu.
- Utlenianie (inaczej deelektronizacja) to proces utraty elektronów, a redukcja (elektronizacja) polega na - przyjmowaniu elektronów.
- W przypadku związków tj. I2 czy O2 w równaniach połówkowych należy rozważyć 2 atomy!
- Przy utlenianiu odejmujemy elektrony, a przy redukcji elektrony dodajemy.
- Pamiętajmy, że nie wszystkie atomy danego pierwiastka muszą zmienić swój stopień utleniania.
- Utleniacz się redukuje, a reduktor się utlenia.

Obraz Colin Behrens z Pixabay