Przypomnijcie sobie: molekuły podanych substancji prostych są dwuatomowe: wodór H2, azot N2, tlen 02, fluor F2, chlor Cl2, brom Br2 i jod l2.
W przypadku podwyższenia stopnia utlenienia atom oddaje elektrony; w przypadku obniżenia - przyjmuje.
Definicja bilansu elektronowego.
Równania połówkowe utlenienia i redukcji
Równania reakcji utlenienia i redukcji, które już rozpatrzyliśmy w poprzednich paragrafach, wyglądają dosyć zwyczajnie: i w reagentach, i w produktach reakcji zapisano nie więcej niż dwa wzory substancji. Ale często mamy do czynienia z równaniami reakcji, w których w reagentach i w produktach zapisano po trzy lub więcej wzorów. Dobrać współczynniki dla takich równań jest dosyć ciężko. Dlatego w tych wypadkach układamy tak zwany bilans elektronowy. W 9 klasie rozpatrzymy układanie bilansu elektronowego dla substancji prostych reakcji utlenienia i redukcji, ale dalej może będziecie musieli dobierać współczynniki w równaniach bardziej złożonych, a robić to bez bilansu elektronowego będzie trudniej.
Ważnym etapem podczas układania bilansu elektronowego jest zapisanie równań połówkowych procesów utlenienia i redukcji. Takie równania są już wam znane z dwóch poprzednich paragrafów, a z równaniami tworzenia jonów już się zapoznaliście w klasie 8. Ale chciałoby się zaakcentować sposób ich układania.
Podczas ich układania trzeba pamiętać, że elektron ma ładunek ujemny -1: aby podwyższyć stopień utlenienia atom powinien oddać elektrony (ładunki ujemne), a aby obniżyć - przyjąć.
Przeanalizujcie równania połówkowe utlenienia i redukcji pierwiastków i zwróćcie uwagę, że ładunek sumaryczny w obu częściach tych równań jest jednakowy:
Układanie bilansu elektronowego reakcji utlenienia i redukcji Główna zasada układania bilansu polega na tym, że w reakcjach utleniania i redukcji elektrony przechodzą od jednego atomu do drugiego, dlatego ilość elektronów, oddanych przez reduktor, powinna równać się ilości elektronów, przyjętych przez utleniacz.
Aby ułożyć bilans elektronowy trzeba przestrzegać pewnego algorytmu. Rozpatrzmy go na przykładach.
Przykład 1. Dobierzcie współczynniki metodą bilansu elektronowego dla równania reakcji oddziaływania tlenku żelaza(III) z czadem (tlenkiem węgla):
1. Wyznaczamy stopnie utlenienia wszystkich pierwiastków chemicznych, które znajdują się w składzie reagentów i produktów reakcji:
2. Wyznaczamy pierwiastki, które zawierają stopnie utlenienia:
3. Aby wyrównać ładunki w obu częściach równań połówkowych trzeba koniecznie dopisać ilość oddanych albo przyjętych elektronów. Otrzymujemy równania połówkowe utlenienia i redukcji:
4. Istota bilansu elektronowego polega na tym, że ilość przyłączonych i oddanych elektronów ma być jednakowa. Żeby wyrównać ilość przyłączonych (w naszym przypadku 3) i oddanych (w naszym przypadku 2) elektronów, trzeba równanie połówkowe redukcji pomnożyć na dwa, a równanie połówkowe utlenienia - na 3. W tym przypadku w obu równaniach ilość elektronów będzie wynosić po 6:
Najczęściej zapisuje się to w taki sposób:
Aby określić współczynniki, na które trzeba pomnożyć równania połówkowe utlenienia i redukcji, można również wykorzystać wartości najmniejszej wspólnej wielokrotności (NWW) dla ilości elektronów w obu równaniach. W naszym przypadku przyłącza się 3 elektrony, a oddaje 2. Dla tych cyfr
NWW = 6, tak więc, oba równania połówkowe trzeba pomnożyć tak, aby w obu było po 6 elektronów: pierwsze na 2, a drugie na 3.
5. Dodamy częściami lewą i prawą stronę równań połówkowych utlenienia i redukcji z uwzględnieniem mnożenia na współczynniki. Równania połówkowe reakcji dodajemy tak samo, jak zwyczajne równania matematyczne, co robicie na lekcjach matematyki podczas rozwiązywania układów równań liniowych. Zwróćcie uwagę, że ilość elektronów w równaniach połówkowych redoks - to cyfry przeciwstawne, dlatego podczas dodawania ulegają one skróceniu:
Otrzymujemy równanie sumaryczne:
6. Współczynniki w równaniu sumarycznym pokazują, ile atomów tego czy innego pierwiastka powinna być w równaniu molekularnym. Biorąc to pod uwagę, rozstawiamy współczynniki w równaniu molekularnym:
Po przeniesieniu współczynników koniecznie trzeba sprawdzić, czy wyrównała się liczba atomów innych pierwiastków, których nie było w równaniach połówkowych utlenienia i redukcji. W naszym przypadku to tlen: w obu częściach równania zapisano po 6 atomów tlenu:
7. Podczas wykonywania bilansu elektronowego również przyjęto wskazywać procesy utlenienia i redukcji oraz pierwiastek-utleniacz i pierwiastek-reduktor. Tak więc, otrzymujemy bilans elektronowy, zapisany w taki sposób:
Według takiego algorytmu można dobrać współczynniki dla równań dowolnej reakcji oddziaływania amoniaku z tlenem w obecności katalizatora.
Przykład 2. Dobierzcie współczynniki metodą bilansu elektronowego dla równania reakcji oddziaływania amoniaku z tlenem w obecności katalizatora:
1. Zapisujemy równanie połówkowe reakcji i zaznaczamy stopnie utlenienia pierwiastków:
2. Stopnie utlenienia zmieniamy:
(zwróćcie uwagę, że wzór tlenu zapisujemy w formie molekuły dwuatomowej)
Wyrównujemy ilość atomów tlenu w równaniu połówkowym:
3. Wyrównujemy ładunki i dopisujemy elektrony:
(ponieważ elektrony przyjmują dwa atomy tlenu, to elektronów ma być 4)
4. Wyrównajmy ilość przyjętych i oddanych elektronów:
5. Dodajmy częściami równania połówkowe utlenienia i redukcji:
Otrzymujemy
6. Przenosimy współczynniki do równania molekularnego:
Sprawdzamy ilość atomów wodoru:
(po 12 w obu częściach).
7. Ukończony bilans elektronowy będzie wyglądał w następujący sposób:
Przykład 3. Dobierzcie współczynniki metodą bilansu elektronowego dla reakcji utlenienia chlorku żelaza(III) w środowisku kwaśnym:
1. Zapisujemy reakcję połówkową i zaznaczymy stopnie utlenienia pierwiastków:
2. Stopnie utlenienia zmieniają: żelazo:
(wraz z wyrównaniem ilości atomów tlenu)
3. Wyrównujemy ładunki i dopisujemy elektrony:
4. Wyrównujemy ilość przyjętych i oddanych elektronów:
5. Dodamy częściami równania połówkowe utlenienia i redukcji:
Otrzymujemy
6. Przenosimy współczynniki do równania molekularnego:
Sprawdzamy ilość atomów chloru i wodoru w lewej i prawej częściach równania:
Aby wyrównać ilość atomów chloru i wodoru, przed wzorem HC1 trzeba postawić współczynnik 4:
7. Otrzymujemy bilans elektronowy:
Myśl główna
Sens bilansu elektronowego reakcji utlenienia i redukcji polega w wyrównywaniu ilości elektronów: oddanych przez reduktor i przyjętych przez utleniacz.
Zadania utrwalające wiedzę
198. Ułóżcie równania reakcji redukcji wodorem tlenku ołowiu(ll), tlenku mie-dzi(ll), tlenku azotu(ll) do substancji prostych. Dobierzcie do nich współczynniki metodą bilansu elektronowego. Nazwijcie utleniacze i reduktory.
199. Dobierzcie współczynniki metodą bilansu elektronowego. Wskażcie utleniacz i reduktor.
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz