REAKCJE UTLENIANIA I REDUKCJI

1. POJĘCIA PODSTAWOWE

Reduktor (donor elektronów) jest to cząsteczka lub jon, w którym występuje atom oddający elektrony (zwiększający swój stopień utlenienia).

Utleniacz (akceptor elektronów) to cząsteczka lub jon, w którym występuje atom pobierający elektrony (obniżający swój stopień utlenienia).

Proces przechodzenia reduktora z formy zredukowanej (Red_R) w utlenioną (Ox_R) nazywa się reakcją utleniania:

Red_R → Ox_R + ne^-,

gdzie n - liczba elektronów oddanych przez reduktor.

Proces przechodzenia utleniacza z formy utlenionej (Ox_O) w formę zredukowaną (Red_O) nazywa się reakcją redukcji:

Ox_O + me^- → Red_O ,

gdzie m - liczba elektronów pobranych przez utleniacz.

Proces redukcji jest możliwy tylko wtedy, gdy równocześnie przebiega proces utleniania. Oznacza to, że jeśli w reakcji jakiś atom oddaje elektrony musi być też atom, który przyjmuje elektrony.

mRed_R + nOx_O → mOx_R + nRed_O ,

Ogólnie tego typu reakcje nazywamy reakcjami REDOX.

2. REGUŁY OKREŚLANIA STOPNIA UTLENIENIA

stopień utlenienia pierwiastków w stanie wolnym jest równy zeru: Mg, Fe, Ca, N₂, O₂, H₂, I₂

stopień utlenienia tlenu w związkach z innymi pierwiastkami jest równy -2. wyjątek stanowią fluorek tlenu i nadtlenki:

stopień utlenienia wodoru w związkach z innymi pierwiastkami jest +1. Wyjątek stanowią wodorki metali:

maksymalny stopień utlenienia pierwiastka może być równy numerowi (N) grupy układu okresowego, w której ten pierwiastek występuje: C → +4, N → +5, Br → +7. Wyjątek stanowią jedynie pierwiastki I podgrupy, np. mogą występować jony Cu²⁺, (Cu³⁺), Au³⁺.

minimalny (maksymalnie ujemny) stopień utlenienia pierwiastków od IV do VII grupy głównej układu wynosi N-8: P → -3, S → -2.

suma stopni utlenienia atomów w cząsteczce musi (!) być równa zeru.

suma stopni utlenienia atomów w jonie złożonym jest równa ładunkowi jonu, np. SO₄^2- → suma stopni utlenienia siarki i tlenu wynosi -2.

3. DOBÓR WSPÓŁCZYNNIÓW W RÓWNANIACH REAKCJI REDOX

Metoda „uwzględniania stopni utlenienia” (może być stosowana we wszystkich przypadkach, a jeśli reakcje biegną tylko z udziałem cząsteczek, bez udziału jonów, jest to właściwie jedyna możliwa metoda).

Etapy doboru współczynników:

wypisać substraty i produkty reakcji

oznaczyć stopnie utlenienia poszczególnych atomów i określić te, które zmieniają stopień utlenienia, a więc utleniacz i reduktor

ustalić ile elektronów oddają atomy w reduktorze, a ile elektronów pobierają atomy w utleniaczu (gdy jest kilka reduktorów lub utleniaczy należy ustalić sumaryczną liczbę oddawanych i przyjmowanych elektronów)

dobierać współczynniki przy utleniaczu i reduktorze tak, aby liczba elektronów pobranych i oddanych była jednakowa

dobrać współczynniki stechiometryczne pozostałych reagentów (substratów i produktów) aby liczby atomów poszczególnych pierwiastków były jednakowe po obu stronach równania

koniecznie sprawdzić poprawność doboru współczynników (bilans pierwiastków w reakcji cząsteczkowej i bilans ładunków przy zapisie jonowym)

Metoda „reakcji połówkowych” może być stosowana jedynie w przypadku jonowego zapisu reakcji REDOX. Jest szczególnie wygodna, gdy trudno określić stopień utlenienia atomów w cząsteczkach lub jonach, np. w FeAsS.

Etapy doboru współczynników:

ustalić jony, które są utleniaczem i reduktorem, środowisko reakcji (kwaśne, zasadowe, obojętne) oraz produkty reakcji: formę zredukowaną utleniacza i formę utlenioną reduktora.

ułożyć reakcję połówkową redukcji i reakcję połówkową utleniania; dobrać współczynniki w obu reakcjach, bilansując atomy poszczególnych pierwiastków; aby zbilansować atomy wodoru i tlenu w reakcjach połówkowych można, w zależności od środowiska, dopisywać po lewej lub prawej stronie równania reakcji jony H⁺ (środowisko kwaśne) lub jony OH^- (środowisko zasadowe); w razie potrzeby po drugiej stronie równania reakcji połówkowej należy dopisać cząsteczki H₂O; niedopuszczalne jest wprowadzenie do reakcji połówkowej jonów OH^-, jeśli środowisko reakcji redox jest kwaśne lub jonów H⁺, gdy środowisko reakcji jest zasadowe.

każdą z reakcji połówkowych zbilansować pod względem ładunku, wprowadzając odpowiednią liczbę wolnych elektronów

dobrać współczynniki stechiometryczne w obu reakcjach tak, aby liczba elektronów oddanych była równa liczbie elektronów pobranych;

Dodać stronami reakcje połówkowe po uprzednim pomnożeniu każdej z nich przez dobrane w punkcie 4 mnożniki i zredukować liczby elektronów, cząsteczek i jonów, które występują po obu stronach otrzymane reakcji redox

koniecznie sprawdzić poprawność doboru współczynników, przynajmniej przez zbilansowanie ładunków po obu stronach reakcji.