18.1: Równoważenie równań Redox

Elektrochemia jest nauką zajmującą się wzajemną przemianą reakcji elektrycznych i chemicznych. Takie reakcje nazywane są reakcjami redukcji-utleniania lub reakcjami redoks. Te ważne reakcje są definiowane przez zmiany stopnia utlenienia jednego lub większej liczby reagentów i obejmują podzbiór reakcji obejmujących przeniesienie elektronów pomiędzy rodzajami reagentów. Elektrochemia jako dziedzina ewoluowała i dostarczyła wystarczającej wiedzy na temat podstawowych zasad chemii redoks i wielu technologii, począwszy od procesów metalurgicznych na skalę przemysłową po akumulatory do pojazdów elektrycznych. Ponieważ reakcje obejmujące przeniesienie elektronów są niezbędne w badaniach elektrochemii, krótki przegląd chemii redoks obejmuje następujące elementy.

Liczby utleniania

Z definicji reakcja redoks obejmuje zmianę stopnia utlenienia lub stanu utlenienia jednego lub wielu reagentów. Stopień utlenienia pierwiastka jest oceną tego, jak środowisko elektronowe jego atomów różni się od atomów czystego pierwiastka. Zgodnie z tą definicją atom w elemencie ma stopień utlenienia równy zero. W przypadku atomu stopień utlenienia jest równy ładunkowi atomu w związku, jeśli związek jest jonowy. Zatem suma stopni utlenienia wszystkich atomów w cząsteczce jest równa ładunkowi cząsteczki.

Związki jonowe

Proste związki jonowe są najprostszymi przykładami tego formalizmu, ponieważ pierwiastki mają stopień utlenienia równy ich ładunkom jonowym. Chlorek sodu, NaCl, składa się z kationów Na+ i anionów Cl-, a stopień utlenienia sodu i chloru wynosi odpowiednio +1 i -1. Fluorek wapnia, CaF2, składa się z kationów Ca2+ i anionów F-, a stopień utlenienia wapnia i fluoru wynosi +2 i -1.

Związki kowalencyjne

Związki kowalencyjne są trudniejsze w stosowaniu formalizmu. Woda jest związkiem kowalencyjnym składającym się z dwóch atomów H związanych z atomem O poprzez polarne kowalencyjne wiązania O-H. Wspólne elektrony tworzące wiązanie O-H są silniej przyciągane przez bardziej elektroujemny atom O. Zatem tlen uzyskuje częściowy ładunek ujemny w porównaniu z atomem O w pierwiastkowym tlenie. W rezultacie atomy H w cząsteczce wody wykazują częściowy ładunek dodatni w porównaniu z atomami wodoru w gazowym wodorze. Suma częściowych ładunków ujemnych i dodatnich każdej cząsteczki wody wynosi zero, co czyni cząsteczkę wody neutralną.

Gdyby polaryzacja wspólnych elektronów w wiązaniach O−H wody była kompletna, efektem byłoby całkowite przeniesienie elektronów z H do O, a woda byłaby związkiem jonowym złożonym z anionów O2− i kationów H+. Zatem stopnie utlenienia tlenu i wodoru w wodzie wynoszą odpowiednio -2 i +1. Zastosowanie tej samej logiki do czterochlorku węgla, CCl4, daje stopień utlenienia +4 dla węgla i -1 dla chloru. W jonie azotanowym NO3− stopień utlenienia azotu wynosi +5, a tlenu −2, co równa się ładunkowi −1 cząsteczki:

Równoważenie równań Redox

Niezrównoważone równanie pokazane poniżej opisuje rozkład chlorku sodu:

Ta reakcja spełnia kryterium reakcji redoks, ponieważ stopień utlenienia Na spada z +1 do 0 (poddając się redukcji), a dla Cl wzrasta z -1 do 0 (poddając się utlenianiu). Przypadek równania można łatwo zrównoważyć, dodając współczynnik stechiometryczny 2 dla NaCl i Na:

Reakcje redoks zachodzące w roztworach wodnych są powszechnie spotykane w elektrochemii, a wiele z nich obejmuje wodę lub jej jony, H+ (aq) i OH- (aq), albo w formie reagentów, albo produktów.

W takich przypadkach równania reprezentujące reakcje redoks mogą być bardzo trudne do zbalansowania jedynie poprzez obserwację, dlatego pomocne jest zastosowanie systematycznego podejścia znanego jako metoda półreakcji. To podejście obejmuje następujące kroki:

1. Rozłożenie równania na składowe szkieletu, reakcje połówkowe utleniania i redukcji.
2. Zrównoważenie każdej reakcji połówkowej dla wszystkich pierwiastków innych niż O i H.
3. Zrównoważenie każej reakcji połowicznej dla atomów O, dodając cząsteczki wody według potrzeb.
4. Zrównoważenie każdej reakcji połówkowej dla atomów H, dodając protony zgodnie z wymaganiami równania.
5. Na koniec należy zrównoważyć ładunki pierwiastków, dodając w razie potrzeby elektrony.
6. Pomnożenie reakcji połówkowej przez dowolną liczbę całkowitą potrzebną do zrównania liczby elektronów utraconych w połówkowej reakcji utleniania z liczbą elektronów uzyskanych w połówkowej reakcji redukcji.
7. Dodanie obu reakcji połowicznych i uproszczenie ich jeszcze bardziej, usuwając powtarzające się składniki po obu stronach równania.
8. Jeśli reakcja zachodzi w środowisku zasadowym, należy dodać jony OH− do równania otrzymanego w kroku 7, aby zneutralizować protony (dodane w równych ilościach po obu stronach równania) i uprościć.
9. Sprawdzenie równania, aby upewnić się, że ładunki na atomach są zrównoważone.

W jaki sposób bateria dostarcza energię elektryczną do zasilania urządzeń przenośnych? Dlaczego pokrojone awokado brązowieje, a metal rdzewieje pod wodą?

Procesy te są napędzane przez specyficzne rodzaje reakcji chemicznych polegających na przenoszeniu elektronów z jednego atomu na drugi. Atom tracący elektrony jest utleniany, podczas gdy atom zyskujący elektrony jest redukowany. Reakcje te nazywane są reakcjami utleniania-redukcji lub redoks i charakteryzują się zmianami stopnia utlenienia jednego lub więcej reagentów.

Interakcja między magnezem a stężonym kwasem solnym jest przykładem reakcji redoks. Tutaj magnez jest utleniany do jonów magnezu 2+, a protony są redukowane do gazowego wodoru.

Proste równania chemiczne można łatwo zrównoważyć. Ponieważ jednak większość równań redoks jest złożona, liczba utraconych i zyskanych elektronów musi być uzasadniona.

Podczas równoważenia równań redoks konieczne jest przestrzeganie prawa zachowania masy. Ilość każdego pierwiastka oraz wszelkie przyrosty lub straty elektronów muszą być zrównoważone po obu stronach reakcji; Tak więc, jeśli jeden reagent zostanie zredukowany, inny musi zostać utleniony.

Metoda półreakcji służy do pomyślnego równoważenia równań redoks.

Rozważ reakcję nadmanganianu ze szczawianami. W przypadku wodnych roztworów kwasowych przypisz stopnie utlenienia i podziel reakcję na półreakcje składowe.

Następnie zrównoważ każdą półreakcję, pomijając wodór i tlen. Tutaj mangan jest już zrównoważony, ale szczawian potrzebuje współczynnika dwa; po drugie, zrównoważyć atomy tlenu z dodatkiem cząsteczek wody; i po trzecie, zrównoważ atomy wodoru, dodając protony tam, gdzie jest to wymagane.

Zrównoważ ładunki, dodając elektrony. Ponieważ mangan jest redukowany, po stronie reagenta dodaje się pięć elektronów. I odwrotnie, szczawian jest utleniony; W ten sposób po stronie produktu dodawane są dwa elektrony. Pomnóż półreakcje przez liczbę całkowitą, aby liczba dodanych elektronów była równa.

Na koniec dodaj i uprość zrównoważone półreakcje, eliminując gatunki po obu stronach, aby uzyskać zrównoważoną reakcję redoks.

W przypadku zasadowych roztworów wodnych procedura jest podobna, ale obejmuje jeden dodatkowy krok. W tym przypadku równą liczbę jonów hydroksylowych dodaje się po obu stronach reakcji w celu zneutralizowania protonów przed zsumowaniem zrównoważonych półreakcji.