Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
IV. Reakcje utleniająco-redukcyjne
1. Stopnie utlenienia
Rzeczywisty stopień utlenienia
Stopień utlenienia jest to liczba elektronów, jaką by
dany pierwiastek przyjął (lub oddał) gdyby utworzone
wiązanie miało charakter jonowy.
Jest to wielkość umowna
Stopnie utlenienia
a) tlenu -2 (z wyjątkiem nadtlenków H2O2, Na2O2),
ponadtlenków (KO2) i fluorku tlenu (OF2)
b) wodoru +1 (z wyjątkiem wodorków metali
-1 st. utl.)


c) w stanie wolnym pierwiastka 0
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
1 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
d) suma stopni utlenienia wszystkich atomów tworzących
cząsteczkę wynosi 0
cząsteczka: H2SO4
siarka: 2(+1) + x + 4(-2) = 0 x = +6
anion: Cr2O72-
chrom: 2x + 7(-2) = -2 x = +6
+
kation: VO2
wanad: x + 2(-2) = +1 x = +5
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
2 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Formalny stopień utlenienia
np. ołów w Pb3O4
tlen 4(-2) = - 8
3 atomy Pb +8
1 atom Pb +8/3
Jest to tzw. formalny stopień utlenienia. Jak to wyjaśnić?
O O
Pb(+2) Pb(+4) Pb(+2)
O O
Formalny stopień utlenienia nie musi być liczbą całkowitą.
Tutaj wynosi on +8/3.
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
3 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
2. Reakcje utleniająco - redukcyjne
- dobieranie współczynników
a. Metoda uproszczona
Cu + H+ + NO3- = Cu2+ + NO + H2O
redukcja
3e x 2
N(+5) + 3e N(+2)
utleniacz
utlenienie
2e x 3
Cu(0) Cu(+2) + 2e
reduktor
Uzgadniamy współczynniki dla miedzi i azotu:
3Cu + H+ + 2NO3- = 3Cu2+ + 2NO + H2O
Następnie uzgadniamy współczynniki dla H+:
3Cu + 8H+ + 2NO3- = 3Cu2+ + 2NO + H2O
Na końcu uzgadniamy wsp. Dla wody:
3Cu + 8H+ + 2NO3- = 3Cu2+ + 2NO + 4H2O
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
4 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
b. Metoda równań połówkowych
-
1o Fe2+ + MnO4 + H+ = Fe3+ + Mn2+ + H2O
5x Fe2+ = Fe3+ + e utlenianie
1x MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O redukcja
5Fe2+ + MnO4- + 8H+ = 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O
2- 3-
2o CrO4 + H2O2 + ....... = CrO8 + .......
H2O2 w roli utleniacza (elektrony po lewej stronie)
H2O2 + 2H+ + 2e = 2H2O
-
3o MnO4 + H2O2 + ......... = Mn2+ + O2 + .....
H2O2 w roli reduktora (elektrony po prawej stronie):
H2O2 = 2H+ + O2 + 2e
4o Cu2S + NO3 - + ...... = Cu2+ + SO4 2-+ NO + & &
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
5 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
c. Reakcje dysproporcjonowania:
chlor jest jednocześnie utleniaczem i reduktorem!
Cl(+6) + e
Cl(+5) redukcja


Cl(+6)
Cl(+7) + e utlenianie


- 
Cl2O6 + 2OH- = ClO3 + ClO4 + H2O
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
6 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
2.2. Reakcje połówkowe  półogniwa (elektrody)
Ka\
dą reakcję utleniająco-redukcyjną mo\
na zapisać
w postaci 2 reakcji połówkowych, czyli reakcji utleniania
i redukcji.
Np. w reakcji:
Fe 2+ + MnO4- + H+= Fe3+ + Mn2+ + H2O
Wyró\
nić mo\
na:
redukcję: MnO4- + 8H+ + 5e
Mn2+ + 4H2O


utlenienie: Fe2+ Fe3+ + 1e



Ka\
da z tych połówkowych reakcji stanowić mo\
e tzw.
półogniwo (elektrodę).
Utl + ne
Red


Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
7 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
2.3. Wzór Nernsta
Ka\
de półogniwo (elektroda) ma określoną wartość
potencjału utleniająco - redukcyjnego. Wartość tego
potencjału określa wzór Nernsta:
RT
E = Eo + ln aoks
=
=
=
nF
a
red
R - stała gazowa; 8,314 J/mol�"
�"K
�"
�"
T - temperatura, K
F - stała Faradaya; 96480 C/mol
n - liczba elektronów
a - aktywności (mol/dm3) formy utlenionej (oks) i
zredukowanej (red)
W roztworze w którym aoks = ared:
E = Eo : potencjał standardowy
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
8 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Dla elektrody metalicznej:
Men+ + ne = Me
n +
+
+
+
RT
a
o
Me
E = E + ln
=
=
=
nF
a
Me
mol
Ale :
a" 1
a"
a"
a"
a
Me
3
dm
RT
o
E = E + ln
=
=
=
aMe n +
nF
W roztworach rozcieńczonych współczynniki aktywności
są równe 1,00, więc:
aMen+ = cMen+
RT
czyli:
E = Eo + ln
=
=
=
cMen+
nF
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
9 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Wzór Nernsta dla wybranych elektrod (półogniw):
RT [Fe3+]
1) Fe3+ + e = Fe2+ E = Eo + ln
F [Fe2+]
- + 2+
2) MnO + 8H + 5e = Mn + 4H O
4 2
RT [MnO - ][H+ ]8
4
E = Eo + ln
=
=
=
5F [Mn 2+]
RT 1
-
3) Cl + 2e = 2Cl E = Eo + ln
=
=
=
2
2F
[Cl- ]2
RT
+ +
+
+
+
4) 2H + 2e = H2 E = Eo + ln[H ]2
=
=
=
2F
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
10 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Szereg napięciowy dla wybranych metali:
silne reduktory
Eo , V
(metale)
Na+ /Na Na+ + e = Na -2,72
Mg2+ /Mg Mg2+ + 2e = Mg -2,36
metale Al3+/ Al Al3+ + 3e = Al -1,66
nieszlachetne Zn2+/ Zn Zn2+ + 2e = Zn -0,76
Fe2+/ Fe Fe2+ + 2e = Fe -0,74
Co2+/ Co Co2+ + 2e = Co -0,28
Ni2+/ Ni Ni2+ + 2e = Ni -0,25
H+/ H2 2H+ + 2e = H2 0,00
metale szlachetne
Cu2+/ Cu Cu2+ + 2e = Cu +0,34
Ag+/ Ag Ag+ + e = Ag +0,80
Au3+/ Au Au3+ + 3e = Au +1,38
silne utleniacze
(jony metalu)
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
11 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Potencjały standardowe wybranych półogniw
niemetalicznych:
Eo, V
NO3- + 4H+ + 3e = NO + 2H2O +0,96
O2 + 2H2O + 4e = 4OH- +1,23
Cl2 + 2e = 2Cl- +1,36
MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O +1,51
Co3+ + e = Co2+ +1,84
F2 + 2e = 2F- +2,87
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
12 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
2.4. Wnioski praktyczne
1) Metal o ni\
szym potencjale elektrochemiczny wypiera
z roztworu metal o wy\
szym potencjale.
Zajdzie więc reakcja:
Fe + 2Ag+ = Fe2+ + 2Ag
Jest to tzw. proces cementacji  jony metalu bardziej
szlachetnego redukujemy do postaci metalicznej za
pomocą metalu mniej szlachetnego.
Nie zajdzie natomiast reakcja:
Cu + Zn2+ = Cu2+ + Zn
2) Wodór mo\
e być wydzielany z roztworu przez metale
o ni\
szym potencjale a więc metale nieszlachetne:
3
Al + 3H+ = Al3+ + /2H2
Natomiast nie zajdzie reakcja:
Cu + 2H+ = Cu2+ + H2
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
13 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
3) Metale szlachetne roztwarzają się dopiero przy u\
yciu
silnych utleniaczy, np. kwasów utleniających
(HNO3, stę\
ony gorący H2SO4)
+ - +
+ - +
+ - +
Cu + H+ + NO- Cu2+ + NO + H2O
+ + + +
+ + + +
+ + + +
3
= + 0,34V
Eo
Cu2+/Cu
Eo 3/NO = + 0,96V
NO-
Dobrać współczynniki do tej reakcji!
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
14 / 15
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
4) Utleniacz z pary utl/red o wy\
szym potencjale utleni
reduktor z pary utl/red o ni\
szym potencjale :
Cl2 + 2Br- = 2Cl- +Br2 TAK
= 1,36V > E0 = 1,07 V
Eo
Cl2/Cl- Br2/Br-
Koniec rozdz. IV-tego
Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne
15 / 15