INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I
BIOMEDYCZNYCH
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ Z CHEMII OGÓLNEJ
“Reakcje utleniania i redukcji”
Opracowała
Dr inż. Santina Topolska
Reakcje utleniania przebiegają jednocześnie z procesami redukcji. W trakcie reakcji
utleniania i redukcji (redoks) następują zmiany wartościowości elektrochemicznej
reagujących ze sobą atomów czy jonów (w reakcjach takich następuje przeniesienie elektronu
–jednostki z ładunkiem ujemnym– z jednego atomu do drugiego). Utrata elektronów jest
równoznaczna z utlenianiem, zyskanie elektronów jest nazywane redukcją. O substancji, która traci elektrony, mówi się że uległa utlenieniu, a o substancji, która zyskuje elektrony – że uległa redukcji.
Rozważmy jako przykład następującą reakcję (1):
2 Na + Cl2 → 2 NaCl
(1)
W reakcji tej uważa się, że Na przechodzi ze stanu obojętnego, w którym znajduje się
po lewej stronie równania, do stanu naładowanego dodatnio (Na+) w NaCl po prawej stronie równania. W tym samym czasie, chlor przechodzi ze stanu obojętnego (Cl2) po lewej stronie równania do stanu naładowanego ujemnie (Cl-) w NaCl. Nastąpiło przeniesienie elektronów z Na do Cl2. Sód, który stracił elektrony, został utleniony, chlor zyskując elektrony, został
zredukowany.
Sód powodujący redukcję jest nazywany czynnikiem redukującym (reduktorem), Cl2
powodujący utlenienie jest nazywany czynnikiem utleniającym (utleniaczem). Utleniacze i reduktory reagują zawsze razem, ponieważ przeniesienie elektronu jest zawsze związane z dawaniem elektronu (reduktor) i z pobraniem elektronu (utleniacz).
W celu „śledzenia” przemieszczania się elektronów w reakcjach chemicznych
dogodne jest wprowadzenie pojęcia stopnia utlenienia. Stopień utlenienia zwany niekiedy
liczbą utlenienia, można określić jako ładunek, jaki przypisuje się atomowi, gdy wypadkowy ładunek elektryczny indywiduum chemicznego jest wyznaczony zgodnie z pewnymi
regułami.
Przypisywanie ładunków odbywa się wg następujących reguł:
1. W wolnych pierwiastkach każdy atom ma liczbę utlenienia równą zeru, niezależnie od złożoności cząsteczki tego pierwiastka. Wodór w cząsteczce H2, siarka w cząsteczce S8
mają stopnie utlenienia równe zeru.
2. W prostych jonach (tj. składających się z jednego atomu) liczba utlenienia równa się ładunkowi jonu. W tych przypadkach pozorny ładunek atomu jest rzeczywistym
ładunkiem jonu.
3. W związkach zawierających tlen stopień utlenienia atomu tlenu wynosi na ogół –2.
Istnieją dwa wyjątki. Jeden dotyczy nadtlenków i ponadtlenków (supertlenków), tj.
związków tlenu, w których istnieje wiązanie tlen-tlen, tlen przyjmuje wtedy stopień
utlenienia równy –1. Drugi wyjątek, jest bardzo rzadko spotykany; występuje wówczas, gdy tlen tworzy związek z fluorem. W tego rodzaju związkach, jak np. w dwufluorku
tlenu (OF2), tlenowi przypisuje się stopień utlenienia +2.
4. W związkach zawierających wodór stopień utlenienia wodoru wynosi na ogół +1.
Reguła ta obejmuje prawie wszystkie związki wodoru. Wyjątkiem są te wodorki, w
których wodór jest związany z takimi pierwiastkami, jak np. Na lub Ca. Przykładem może być NaH, w którym sód występuje jako Na+ (stopień utlenienia +1), wodór zaś jako H-
(stopień utlenienia –1). Wodorki są raczej rzadkimi związkami i będą w ten sposób
określane do czasu ich bliższego poznania.
5. Wszystkie stopnie utlenienia muszą być zgodne z zasadą zachowania ładunku. Jest to inny sposób wyrażenia myśli, że jeśli dodajemy do siebie wszystkie stopnie utlenienia różnych atomów, to suma musi być równa zeru w przypadku obojętnej cząsteczki lub
musi być równa ładunkowi wypadkowemu w przypadku jonu.
Reguła „obojętności” umożliwia przypisanie stopnia utlenienia każdemu atomowi. Np.,
uważamy, że stopień utlenienia siarki w kwasie H2SO4 musi wynosić +6. Uzasadnienie
tego jest następujące: wodór w tym kwasie ma stopień utlenienia +1, ponieważ występują dwa atomy wodoru to pozorny udział ładunku wynosi +2; tlen w kwasie ma stopień
utlenienia –2, ponieważ występują cztery atomy tlenu tak więc pozorny udział ładunku tlenu wynosi –8. Po zsumowaniu pozornych ładunków wodoru i tlenu [+2+(-8)]
otrzymamy wynik –6. Dla zobojętnienia tego ładunku potrzebujemy +6.
Stopień utlenienia jest pojęciem odnoszącym się do atomu. Jeśli ładunek wypadkowy znajduje się w kilku takich samych atomach, to wszystkie one mają jednakowy udział.
Ponieważ stopnie utlenienia są całkowicie umowne, mogą mieć wartości, które na
pierwszy rzut oka wydają się dziwne. Np. w sacharozie, C12H22O11, stopień utlenienia węgla jest równy zeru. Całkowity ładunek pozorny 22 atomów wodoru, jest znoszony przez ładunek 11 atomów tlenu. Wydaje się więc, że poszczególne atomy węgla nie mają udziału w
wypadkowym ładunku cząsteczki. Możliwe są również ułamkowe stopnie utlenienia, jak np.
w cząsteczce Na2S4O6, w której stopień utlenienia siarki wynosi +10/4.
W jonach zespolonych (cząsteczki naładowane zawierające więcej niż jeden atom)
ładunki pozorne wszystkich atomów po dodaniu muszą być równe ładunkowi całego jonu.
Skoro
pojęcie stopnia utlenienia jest już znane, można określić utlenienie jako proces
chemiczny, w którym rośnie stopień utlenienia atomu; redukcja jest procesem, w którym następuje zmniejszenie stopnia utlenienia atomu. Należy także podkreślić, że terminy utleniacz i reduktor odnoszą się do całej substancji, a nie tylko do jednego atomu w niej zawartego.
Gdy jednocześnie utlenia się i redukuje ta sama substancja, mówi się, że podlega ona
autooksydacji (samoutlenieniu) lub dysproporcjonowaniu.
Przebieg ćwiczenia:
WSZYSTKIE ĆWICZENIA NALEŻY WYKONAĆ Z ZACHOWANIEM
NAJWIĘKSZEJ OSTROŻNOŚCI!!!!!
1) OSTROŻNIE! Do parownicy wsyp zmieszany nadmanganian potasu z cukrem (1:1), pomału dodawaj kroplami stężony kwas siarkowy – zaobserwuj wydzielający się dym. Po
dodaniu większej ilości stężonego kwasu mieszanina zapala się. Ułóż równanie reakcji, podaj co jest reakcją utleniania, co redukcji, gdzie jest reduktor i utleniacz.
2) OSTROŻNIE! Do probówki wlać 1 cm3 stężonego kwasu azotowego, po czym wrzuć opiłek miedziany. Zaobserwuj barwę r-ru i wydzielającego się gazu. Ułóż równanie
reakcji, podaj co jest reakcją utleniania, co redukcji, gdzie jest reduktor i utleniacz.
3) Do probówki wlej r-r jodku potasu, następnie dodaj dwuchromianu potasu, a na końcu kwas siarkowy. Zaobserwuj co się będzie działo. Ułóż równanie reakcji, podaj co jest reakcją utleniania, co redukcji, gdzie jest reduktor i utleniacz.
4) Do probówki wlej 2 cm3 r-ru kwasu solnego i dodaj niewielką ilość dwutlenku ołowiu.
Zaobserwuj co się będzie działo. Ułóż równanie reakcji, podaj co jest reakcją utleniania, co redukcji, gdzie jest reduktor i utleniacz.
5) Do probówki wlej 2 cm3 r-ru kwasu solnego i dodaj niewielką ilość trójtlenku chromu.
Zaobserwuj co się będzie działo. Ułóż równanie reakcji, podaj co jest reakcją utleniania, co redukcji, gdzie jest reduktor i utleniacz.
6) Do probówki wlej niewielką ilość wody utlenionej, kwasu azotowego następnie dodaj
niewielką ilość dwutlenku ołowiu. Zaobserwuj co się będzie działo. Ułóż równanie
reakcji, podaj co jest reakcją utleniania, co redukcji, gdzie jest reduktor i utleniacz.
Literatura:
1. Adam Bielański „Podstawy chemii nieorganicznej”, PWN, W-wa 1997
2. M. J. Sienko, R. A. Plane „Chemia – Postawy i zastosowania” WNT, W-wa 1980
3. Praca zbiorowa pod redakcją J. Ciby „Obliczenia chemiczne”, Skrypt Pol. Śl. 1579, G-ce 1992