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

1. tlenu -2 (z wyjątkiem nadtlenków H₂O₂, Na₂O₂), ponadtlenków (KO₂) i fluorku tlenu (OF₂)

2. wodoru +1 (z wyjątkiem wodorków metali

→ -1 st. utl.)

3. w stanie wolnym pierwiastka 0

4. suma stopni utlenienia wszystkich atomów tworzących cząsteczkę wynosi 0

cząsteczka: H₂SO₄

siarka: 2(+1) + x + 4(-2) = 0 x = +6

anion:

chrom: 2x + 7(-2) = -2 x = +6

kation: VO₂⁺

wanad: x + 2(-2) = +1 x = +5

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?

Formalny stopień utlenienia nie musi być liczbą całkowitą. Tutaj wynosi on +8/3.

2.Reakcje utleniająco-redukcyjne - dobieranie współczynników

a. Metoda uproszczona

Cu + H⁺ + NO₃^- = Cu²⁺ + NO + H₂O

redukcja

N⁽⁺⁵⁾ + 3e N⁽⁺²⁾

utleniacz

utlenienie

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

b. Metoda równań połówkowych

1^o 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^o CrO₄^2- + H₂O₂ + ....... = CrO₈^3- + .......

H₂O₂ w roli utleniacza (elektrony po lewej stronie)

H₂O₂ + 2H⁺ + 2e = 2H₂O

3^o MnO₄^- + H₂O₂ + ......... = Mn²⁺ + O₂ + .....

H₂O₂ w roli reduktora (elektrony po prawej stronie):

H₂O₂ = 2H⁺ + O₂ + 2e

4^o Cu₂S + NO₃^- + ...... = Cu²⁺ + SO₄^2- + NO + ……

c. Reakcje dysproporcjonowania:

Cl₂O₆ + OH^- = ClO₃^- + ClO₄^- + H₂O

chlor jest jednocześnie utleniaczem i reduktorem!

Cl⁽⁺⁶⁾ + e Ⴎ Cl⁽⁺⁵⁾ redukcja

Cl⁽⁺⁶⁾ Ⴎ Cl⁽⁺⁷⁾ + e utlenianie

Cl₂O₆ + 2OH^- = ClO₃^- + ClO₄^- + H₂O

2.2. Reakcje połówkowe - półogniwa (elektrody)

Każdą reakcję utleniająco-redukcyjną można zapisać w postaci 2 reakcji połówkowych, czyli reakcji utleniania i redukcji.

Np. w reakcji:

Wyróżnić można:

redukcję:

utlenienie:

Każda z tych połówkowych reakcji stanowić może tzw. półogniwo (elektrodę).

Utl + ne → Red

1. Wzór Nernsta

Każde półogniwo (elektroda) ma określoną wartość potencjału utleniająco-redukcyjnego.

Wartość tego potencjału określa wzór Nernsta:

R - stała gazowa; 8,314 J/molთK

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 a_oks = a_red:

E = E^o : potencjał standardowy

Dla elektrody metalicznej:

Meⁿ⁺ + ne = Me

W roztworach rozcieńczonych współczynniki aktywności są równe 1,00, więc:

czyli:

Wzór Nernsta dla wybranych elektrod (półogniw):

Szereg napięciowy dla wybranych metali:

silne reduktory (metale)			E^o , V
metale nieszlachetne	Na^+ /Na Mg^2+ /Mg Al^3+/ Al Zn^2+/ Zn Fe^2+/ Fe Co^2+/ Co Ni^2+/ Ni	Na^+ + e = Na Mg^2+ + 2e = Mg Al^3+ + 3e = Al Zn^2+ + 2e = Zn Fe^2+ + 2e = Fe Co^2+ + 2e = Co Ni^2+ + 2e = Ni	-2,72 -2,36 -1,66 -0,76 -0,74 -0,28 -0,25
	H^+/ H2	2H^+ + 2e = H2	0,00
metale szlachetne	Cu^2+/ Cu Ag^+/ Ag Au^3+/ Au	Cu^2+ + 2e = Cu Ag^+ + e = Ag Au^3+ + 3e = Au	+0,34 +0,80 +1,38
silne utleniacze (jony metalu)

Potencjały standardowe wybranych półogniw niemetalicznych:

NO3^- + 4H^+ + 3e = NO + 2H2O O2 + 2H2O + 4e = 4OH^- Cl2 + 2e = 2Cl^- MnO4^- + 8H^+ + 5e = Mn^2+ + 4H2O Co^3+ + e = Co^2+ F2 + 2e = 2F^-

E^o, V +0,96 +1,23 +1,36 +1,51 +1,84 +2,87

2.4. Wnioski praktyczne

1. Metal o niższym potencjale elektrochemicznym wypiera z roztworu metal o wyższym 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 może być wydzielany z roztworu przez metale o niższym potencjale a więc metale nieszlachetne:

Al + 3H⁺ = Al³⁺ + 3/2H₂

Natomiast nie zajdzie reakcja:

Cu + 2H⁺ = Cu²⁺ + H₂

3) Metale szlachetne roztwarzają się dopiero przy użyciu silnych utleniaczy,

np. kwasów utleniających ( HNO₃, stężony gorący H₂SO₄)

Dobrać współczynniki do tej reakcji!

4) Utleniacz z pary utl/red o wyższym potencjale utleni reduktor z pary utl/red o niższym potencjale :

Cl₂ + 2Br^- = 2Cl^- + Br₂ TAK

Koniec rozdz. IV-tego

Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w

10

Rozdział IV Reakcje utleniająco-redukcyjne

3e x 2

2e x 3

---