Przeczytaj

bg‑azure

Reakcje utleniania‐redukcji

Reakcje utlenienia‑redukcji, inaczej nazywane reakcjami redoks, są to reakcje, w których dochodzi do zmian stopni utlenienia atomów części pierwiastków chemicznych biorących udział w reakcji. W reakcjach chemicznych tego typu równolegle zachodzą dwa procesy:

utlenianieutlenianieutlenianie – w wyniku tego procesu zwiększa się stopień utlenienia atomu. Stopień utlenienia zwiększa się na skutek oddawania elektronów.
redukcjaredukcjaredukcja – w wyniku tego procesu zmniejsza się stopień utlenienia atomu. Stopień utlenienia zmniejsza się na skutek przyjmowania elektronów.

Indywiduum, w którym atom pierwiastka zmniejsza stopień utlenienia pełni funkcję utleniacza. Indywiduum, w którym atom pierwiastka zwiększa stopień utlenienia pełni funkcję reduktora.

RMY5fgcsNaFPM

Ilustracja przedstawiająca schematycznie reakcję redoks. Po lewej stronie równania reduktor A symbolizowany przez dużą, niebieską kulkę oraz przylegającą do niej małą, czarną, to jest elektron e-, dodać utleniacz B symbolizowany przez dużą, żółtą kulkę. Od elektronu poprowadzona jest łukowata strzałka do utleniacza B. Strzałą w prawo, za strzałką po prawej stronie równania utleniona postać A symbolizowana przez dużą niebieską kulkę, dodać zredukowana postać B symbolizowana przez dużą, żółtą kulkę oraz przylegającą do niej małą, czarną kulkę, czyli elektron. Reduktor A ulega utlenieniu do postaci utlenionej A, zaś utleniacz B ulega redukcji do postaci zredukowanej B. — Graficzne przedstawienie reakcji redoks.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Reakcje metali z kwasami jako reakcje redoks

W reakcjach metali z kwasami, w zależności od użytego do reakcji chemicznej kwasu, otrzymujemy różne produkty:

Kwasy o słabych właściwościach utleniających

Do kwasów o słabych właściwościach utleniających należą m.in.: kwas solny (chlorowodorowy) $HCl$ , kwas bromowodorowy $HBr$ , kwas fosforowy( $V$ ) $H_{3} {PO}_{4}$ , rozcieńczony kwas siarkowy( $VI$ ) $H_{2} {SO}_{4 (rozc .) .}$

W przypadku kwasów o słabych właściwościach utleniających, w wyniku reakcji chemicznej metalu i kwasu, otrzymuje się sól i wodór.

KWAS + METAL

\to

SÓL + WODÓR↑

Jednakże reakcja ta zachodzi tylko wtedy gdy metal jest bardziej aktywny od wodoru. Aktywność chemiczną metali prezentuje tzw. szereg aktywności metali:

RJwZW9F2V9Xqh

Ilustracja przedstawiająca szereg aktywności metali. Fioletowa strzałka w lewą stronę, nad nią napis "wzrost aktywności chemicznej metali". Pod strzałką symbole metali, od najaktywniejszych po lewej stronie: Li, K, Ba, Ca, Na, które wypierają wodór z zimnej wody oraz z kwasów. Dalej aktywniejsze od wodoru i wypierające go z gorącej wody i z kwasów: Mg, Al, <math aria‑label="zet en">Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb. W tym miejscu szeregu znajduje się atom wodoru, za którym wymieniono metale mniej aktywne od wodoru, które nie wypierają wodoru z wody ani z kwasów: Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pt, Au. — Szereg aktywności metali.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Metale bardziej aktywne od wodoru wypierają go z kwasu. Rozpatrzmy to na przykładzie:

Przykład 1

Zapisz równanie reakcji zachodzącej pomiędzy glinem i kwasem solnym (chlorowodorowym). Określ utleniacz i reduktor. Zapisz równania procesów utleniania i redukcji. Zastosuj bilans elektronowy.

1. Zapisanie schematu równania reakcji chemicznej i określenie stopni utlenienia.

{Al}^{0} + H^{I} {Cl}^{- I} \to {Al}^{III} {Cl}_{3}^{- I} + \overset{0}{H_{2} ↑}

Możemy zauważyć, że glin zwiększa swój stopień utlenienia z $0$ na $+ III$ – utlenia się, natomiast wodór zmniejsza swój stopień utlenienia z $I$ na $0$ – redukuje się.

utleniacz: kwas solny (chlorowodorowy)
reduktor: glin

( $1$ ) Równanie procesu utleniania:

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

Atomy pierwiastków w stanie wolnym występują na zerowym stopniu utlenienia. Glin zwiększa swój stopień utlenienia. Aby ładunki po stronie substratów ( $0$ dla obojętnego atomu glinu) i produktów ( $+ 3$ dla atomu glinu na $III$ stopniu utlenienia) się zgadzały należy dodać $3$ elektrony po stronie produktów.

( $2$ ) Równanie procesu redukcji:

2 \overset{I}{H} + 2 e^{-} \to 2 \overset{0}{H}

Wodór zmniejsza swój stopień utlenienia. Aby ładunki po stronie substratów ( $+ 2$ , gdyż dwa atomy wodoru występują na $I$ stopniu utlenienia) i produktów ( $0$ , gdyż obydwa atomy wodoru występują na $0$ stopniu utlenienia) się zgadzały należy dodać $2$ elektrony po stronie substratów.

Liczba elektronów wymienionych w czasie procesów utleniania i redukcji musi być taka sama. Najniższym wspólnym mnożnikiem liczb $3$ i $2$ jest $6$ . Dlatego równanie procesu ( $1$ ) mnożymy razy $2$ , a równanie procesu ( $2$ ) mnożymy razy $3$ :

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

2 \overset{I}{H} + 2 e^{-} \to 2 \overset{0}{H} | \cdot 3

Teraz możemy dobrać współczynniki stechiometryczne:

2 \overset{0}{Al} + 6 \overset{I}{H} \overset{- I}{Cl} \to 2 \overset{III}{Al} \overset{- I}{{Cl}_{3}} + 3 \overset{0}{H_{2} ↑}

Na fioletowo zaznaczono utlenienie, a na zielono redukcję.

Kwasy o silnych właściwościach utleniających

Do kwasów o silnych właściwościach utleniających należą: kwas azotowy( $V$ ) stężony i rozcieńczony ( ${HNO}_{3}$ ), stężony kwas siarkowy( $VI$ ) ( $H_{2} {SO}_{4 (stęż .)}$ ). Reagują one z metalami aktywniejszymi od wodoru, jak i z metalami szlachetnymi (mniej aktywnymi od wodoru).

Głównym produktem reakcji chemicznej pomiędzy metalem a kwasem o silnych właściwościach utleniających jest sól. Oprócz soli otrzymuje się mieszaninę produktów, której skład jest zależny od stężenia kwasu. W przypadku kwasu azotowego( $V$ ) otrzymuje się tlenek azotu( $II$ ), tlenek azotu( $IV$ ), azot lub sole amonowe( $III$ ), np.:

R1AzTf2a99zle

Ilustracja przedstawiająca wynik reakcji w zależności od stężenia kwasu. Podane równania od największego stężenia kwasu do najmniejszego. Pierwsze równanie. Ca+4 HNO3→CaNO32+2 NO2+2 H2O. Drugie równanie. 3 Ca+8 HNO3→3 CaNO32+2 NO2+4 H2O. Trzecie równanie. 5 Ca+12 HNO3→5 CaNO32+N2+6 H2O. Czwarte równanie. 4 Ca+10 HNO3→4 CaNO32+NH4NO3+3 H2O. Piąte równanie. Ca+2 HNO3→4 CaNO32+H2. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W reakcjach kwasów o właściwościach silnie utleniających z metalami aktywnymi, jeżeli użyjemy bardzo rozcieńczonego kwasu, oprócz soli otrzymuje się wodór. Trudno jednak stwierdzić, czy wydzielający się wodór pochodzi od kwasu, czy z wody.

Rozpatrzmy to na przykładzie równania reakcji metalu z kwasem o silnych właściwościach utleniających:

Przykład 2

Zapisz równanie reakcji miedzi ze stężonym kwasem siarkowym( $VI$ ). Określ utleniacz i reduktor. Zapisz równania procesów utlenienia i redukcji. Zastosuj bilans elektronowy.

1. Zapisanie schematu równania reakcji i ustalenie stopni utlenienia

\overset{0}{Cu} + {\overset{I}{H}}_{2} \overset{VI}{S} {\overset{- II}{O}}_{4 (stęż)} \to \overset{II}{Cu} \overset{VI}{S} \overset{- II}{O_{4}} + \overset{IV}{S} \overset{- II}{O_{2} ↑} + {\overset{I}{H}}_{2} \overset{- II}{O}

Możemy zauważyć, że miedź zwiększyła swój stopień utlenienia z $0$ na $+ II$ – utlenia się, siarka natomiast zmniejszyła swój stopień utlenienia z $VI$ na $IV$ – redukuje się.

utleniacz: kwas siarkowy( $VI$ )
reduktor: miedź

2. Zapisanie równania procesów utleniania i redukcji

( $1$ ) Równanie procesu utleniania:

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

Pierwiastki w stanie wolnym występują na zerowym stopniu utlenienia. Miedź zwiększa swój stopień utlenienia. Aby ładunki po stronie substratów ( $0$ dla obojętnego atomu miedzi) i produktów ( $+ 2$ dla atomu miedzi na $II$ stopniu utlenienia) się zgadzały należy dodać $2$ elektrony po stronie produktów.

( $2$ ) Równanie procesu redukcji:

\overset{VI}{S} + 2 e^{-} \to \overset{IV}{S}

Siarka zmniejsza swój stopień utlenienia. Aby ładunki po stronie substratów ( $+ 6$ dla atomu siarki na $VI$ stopniu utlenienia) i produktów ( $+ 4$ dla atomu siarki na $IV$ stopniu utlenienia) się zgadzały należy dodać $2$ elektrony po stronie substratów.

Liczba elektronów w procesach utleniania i redukcji musi być taka sama. W tym przypadku liczba elektronów w obu równaniach ( $1$ ) i ( $2$ ) jest taka sama. Dlatego też możemy dobierać współczynniki stechiometryczne w równaniu reakcji bez przemnażania równań procesów połówkowych:

\overset{0}{Cu} + 2 {\overset{I}{H}}_{2} \overset{VI}{S} {\overset{- II}{O}}_{4 (stęż)} \to \overset{II}{Cu} \overset{VI}{S} \overset{- II}{O_{4}} + \overset{IV}{S} \overset{- II}{O_{2} ↑} + 2 H_{2} \overset{- II}{O}

Kolorem fiolotowym zaznaczono utlenianie, a kolorem zielonym redukcję.

bg‑azure

Podsumowanie

Reakcje metali z kwasami są reakcjami typu redoks. Kwasy pełnią w nich funkcję utleniacza, a metal reduktora.

Słownik

stopień utlenienia

formalna wartość ładunku atomu w danym indywiduum chemicznym przy założeniu, że wszystkie wiązania chemiczne w danym indywiduum mają charakter wiązań jonowych

redukcja

proces przyjmowania elektronów, związany z obniżaniem stopnia utlenienia

kwasy utleniające

kwasy posiadające wyjątkowo silne właściwości utleniające – mogą zwiększać stopień utlenienia reagującego z nimi indywiduum chemicznego obniżając jednocześnie stopień utlenienia swojego atomu centralnego

utlenianie

proces oddawania elektronów, związany z podwyższaniem stopnia utlenienia reduktora

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Podstawy chemii fizycznej, Warszawa 2009.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, t. 2, Warszawa 2007.

Pajdowski L., Chemia ogólna, Warszawa 2002.

Wprowadzenie

Symulacja interaktywna

Reakcje utleniania‐redukcji

Reakcje metali z kwasami jako reakcje redoks

Kwasy o słabych właściwościach utleniających

Kwasy o silnych właściwościach utleniających

Podsumowanie

Słownik

Bibliografia