Przeczytaj

bg‑green

Co się dzieje podczas przebiegu reakcji redoks?

Podczas przebiegu reakcji redoks (ultenienia‑redukcji) zmieniają się stopnie utlenieniastopień utlenieniastopnie utlenienia atomów pierwiastków chemicznych reagentów. Kiedy atom pierwiastka chemicznego obniża swój stopień utlenienia, wiąże się to z pobraniem elektronów, natomiast gdy podwyższa stopień utlenienia – wówczas je oddaje. Istotą reakcji redoks jest fakt, że liczba oddanych i pobranych elektronów w trakcie reakcji musi być jednakowa. Zatem w każdej reakcji redoks można wyróżnić dwa procesy – proces utlenieniautlenianieproces utlenienia i proces redukcjireduktorproces redukcji.

bg‑green

Ustalanie współczynników stechiometrycznych w reakcjach redoks

Analizę równania redoks można przeprowadzić stosując metodę bilansu elektronowego. W metodzie tej podstawą do ustalenia współczynników stechiometrycznych są schematy przedstawiające liczbę elektronów oddawanych lub przyjmowanych przez dany pierwiastek w czasie reakcji chemicznej.

Przykład 1

Dobierz współczynniki w poniższym równaniu reakcji metodą bilansu elektronowego.

F e_{2} O_{3} + C O \to F e + C O_{2}

Krok 1. Ustal stopnie utlenienia poszczególnych atomów.

{\overset{III}{Fe}}_{2} {\overset{- II}{O}}_{3} + \overset{II}{C} \overset{- II}{O} \to \overset{0}{Fe} + \overset{IV}{C} {\overset{- II}{O}}_{2}

Zmianie ulegają stopnie utlenienia żelaza i węgla.

Krok 2. Zapisz schematy przedstawiające jak zmieniają się stopnie utlenienia atomów pierwiastków w tej reakcji chemicznej.

\overset{III}{Fe} \to \overset{0}{Fe}

\overset{II}{C} \to \overset{IV}{C}

Atom żelaza obniża swój stopień utlenienia o trzy stopnie ze stopnia $III$ na $0$ . W czasie tego procesu pobiera on $3$ elektrony, które są więc niejako „substratami”, dlatego zapisujemy je po stronie lewej.

Atom węgla zmienia (podwyższa) swój stopień utlenienia o dwa stopnie z $II$ na $IV$ . W czasie tego procesu oddaje on

$2$

\overset{III}{Fe} + 3 e^{-} \to \overset{0}{Fe}

\overset{II}{C} \to \overset{IV}{C} + 2 e^{-}

Krok 3. Pomnóż schematy utleniania i redukcji przez odpowiednie mnożniki, tak aby liczby elektronów stały się równe w obu schematach.

\overset{III}{Fe} + 3 e^{-} \to \overset{0}{Fe} | \cdot 2

\overset{II}{C} \to \overset{IV}{C} + 2 e^{-} | \cdot 3

\overset{III}{2 Fe} + 6 e^{-} \to 2 \overset{0}{Fe}

3 \overset{II}{C} \to 3 \overset{IV}{C} + 6 e^{-}

Współczynniki powstałe w ten sposób w schematach wskazują liczby poszczególnych atomów, które powinny wziąć udział w reakcji.

Zatem w równaniu reakcji, przed $F e$ trafi współczynnik $2$ . Natomiast przed $F e_{2} O_{3}$ nie trafi żaden współczynnik, ponieważ dwa atomy żelaza budują tlenek żelaza $(III)$ .

Przed $C O$ trafi współczynnik $3$ , tak samo przed $C O_{2}$ . Na koniec możemy sprawdzić liczby poszczególnych atomów po stronie substratów i produktów.

pierwiastek	liczba atomów po stronie substratów:	liczba atomów po stronie produktów:
żelazo ( $\text F\text e$ )	2	2
węgiel ( $\text C$ )	3	3
tlen ( $\text O$ )	6	6

Równanie reakcji z dobranymi współczynnikami stechiometrycznymi przyjmuje postać:

{Fe}_{2} O_{3} + 3 CO \to 2 Fe + 3 {CO}_{2}

Przykład 2

Dobierz współczynniki w poniższym równaniu reakcji metodą bilansu elektronowego.

N H_{3} + O_{2} \to N O + H_{2} O

Krok 1. Ustal stopnie utlenienia poszczególnych atomów.

\overset{- III}{N} {\overset{I}{H}}_{3} + {\overset{0}{O}}_{2} \to \overset{II}{N} \overset{- II}{O} + {\overset{I}{H}}_{2} \overset{- II}{O}

Zmianie ulegają stopnie utlenienia azotu i tlenu.

Krok 2. Zapisz schematy przedstawiające jak zmieniają się stopnie utlenienia atomów pierwiastków w tej reakcji chemicznej.

\overset{- III}{N} \to \overset{II}{N}

\overset{0}{O} \to \overset{- II}{O}

Atom azotu zmienia (podwyższa) swój stopień utlenienia o pięć stopni z $- III$ na $II$ . W czasie tego procesu oddaje on $5$ elektronów. Elektrony są niejako „produktami” i zapiszemy je w schemacie po stronie produktów.

Atom tlenu obniża swój stopień utlenienia o dwa stopnie ze stopnia $0$ na $- II$ . W czasie tego procesu pobiera on $2$ elektrony, które są więc niejako „substratami”, dlatego zapisujemy je po stronie lewej.

\overset{- III}{N} \to \overset{II}{N} + 5 e^{-}

\overset{0}{O} + 2 e^{-} \to \overset{- II}{O}

Krok 3. Pomnóż schematy utleniania i redukcji przez odpowiednie mnożniki, tak aby liczby elektronów stały się równe w obu schematach.

\overset{- III}{N} \to \overset{II}{N} + 5 e^{-} | \cdot 2

\overset{0}{O} + 2 e^{-} \to \overset{- II}{O} | \cdot 5

2 \overset{- III}{N} \to \overset{II}{2 N} + 10 e^{-}

5 \overset{0}{O} + 10 e^{-} \to 5 \overset{- II}{O}

Uwaga: Jeżeli liczba elektronów biorących udział w redukcji i w utlenieniu jest taka sama – nie ma potrzeby mnożenia poszczególnych równań.

Współczynniki powstałe w ten sposób w schematach wskazują liczby poszczególnych atomów, które powinny wziąć udział w reakcji. Czasami schematy wymagają dodatkowej modyfikacji. Tak jest właśnie w uzgadnianym przez nas równaniu. Schemat reakcji:

5 \overset{0}{O} + 10 e^{-} \to 5 \overset{- II}{O}

wskazuje, że w reakcji bierze udział $5$ atomów tlenu na zerowym stopniu utlenienia. Ponieważ jednak w równaniu reakcji chemicznej występują cząsteczki dwuatomowe tlenu, to prowadziłoby to do współczynnika stechiometrycznego $\frac{5}{2}$ . Aby uniknąć współczynnika ułamkowego, należy przemnożyć schematy utleniania i redukcji raz jeszcze przez $2$ . Otrzymamy zatem:

4 \overset{- III}{N} \to \overset{II}{4 N} + 20 e^{-}

10 \overset{0}{O} + 20 e^{-} \to 10 \overset{- II}{O}

Teraz już możemy wykorzystać współczynniki ze schematów utleniania i redukcji do uzupełnienia równania reakcji o współczynniki stechiometryczne.

Przed $N H_{3}$ trafi zatem współczynnik $4$ , tak samo przed $N O$ . Przed cząsteczkę tlenu nie trafi współczynnik $10$ , tylko $5$ , ponieważ $10$ atomów tlenu buduje $5$ cząsteczek $O_{2}$ .

Po stronie produktów mamy już $4$ atomy tlenu w $4$ cząsteczkach $N O$ . Pozostałe $6$ atomów tlenu trafi zatem do cząsteczek wody – przed $H_{2} O$ wpisujemy zatem współczynnik stechometryczny $6$ .

pierwiatek	liczba atomów po stronie substratów:	liczba atomów po stronie produktów:
azot ( $\text N$ )	4	4
wodór ( $\text H$ )	12	12
tlen ( $\text O$ )	10	10

Równanie reakcji z dobranymi współczynnikami stechiometrycznymi przyjmuje postać:

4 {NH}_{3} + 5 O_{2} \to 4 NO + 6 H_{2} O

Słownik

stopień utlenienia

ładunek, jaki zgromadziłby się na atomie danego pierwiastka wchodzącego w skład związku chemicznego, przy założeniu, że wszystkie wiązania chemiczne w związku mają charakter wiązań jonowych

redukcja

proces, w trakcie którego atom przechodzi z wyższego stopnia utlenienia na niższy

utlenianie

(łac. oxidatio „utlenianie”) oksydacja, proces polegający na oddaniu elektronu (elektronów) przez jon, atom lub grupę atomów, w wyniku czego podwyższa się stopień utlenienia pierwiastka oddającego elektrony

reduktor

atom, jon lub cząsteczka, które w reakcji redoks są donorem elektronu (elektronów)

utleniacz

atom, jon lub cząsteczka, które w reakcji redoks są akceptorem elektronu (elektronów)

Bibliografia

Czerwiński A., Czerwińska A., Jelińska‑Kazimierczuk M., Kuśmierczyk K., Chemia 1, Warszawa 2002.

Witowski D., Chemia - zbiór zadań otwartych wraz z odpowiedziami, t. 1, Rzeszów 2009.

Pazdro K. M., Rola‑Noworyta A., Akademicki zbiór zadań z chemii ogólnej, Warszawa 2005.

Hejwowska S., Marcinkowski R., Staluszka J., Chemia 2. Zakres rozszerzony, Gdynia 2011.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., Chemia organiczna 2, Warszawa 2013.

Wprowadzenie

Film samouczek

Co się dzieje podczas przebiegu reakcji redoks?

Ustalanie współczynników stechiometrycznych w reakcjach redoks

Słownik

Bibliografia