Back to chapter

18.1:

Balanceren van Redox Reacties

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Balancing Redox Equations

Languages

Share

Hoe levert een batterij elektriciteit om draagbare apparaten te laten werken? Waarom wordt een gesneden avocado bruin of roest metaal onder water? Deze processen worden aangedreven door specifieke soorten chemische reacties waarbij elektronenoverdracht van het ene atoom naar het andere betrokken is.Het atoom dat elektronen verliest, wordt geoxideerd, terwijl het atoom dat elektronen wint, wordt verminderd. Deze reacties worden oxidatie-reductie-of redoxreacties genoemd en worden gekenmerkt door veranderingen in de oxidatietoestand voor een of meer reactanten. De interactie tussen magnesium en geconcentreerd zoutzuur is een voorbeeld van een redoxreactie.Hier wordt magnesium geoxideerd tot magnesium 2 ionen, en de protonen worden gereduceerd tot waterstofgas. Eenvoudige chemische vergelijkingen kunnen gemakkelijk worden uitgebalanceerd. Omdat de meeste redoxvergelijkingen echter complex zijn, moet het aantal verloren en gewonnen elektronen worden gerechtvaardigd.Bij het balanceren van redoxvergelijkingen is het essentieel om de wet van behoud van massa in acht te nemen. De hoeveelheid van elk element en elke winst of verlies van elektronen moet aan beide kanten van de reactie in evenwicht worden gebracht;dus als een reactant wordt gereduceerd, moet een andere worden geoxideerd. De methode van halfreacties wordt gebruikt om redoxvergelijkingen met succes te balanceren.Denk aan de reactie van permanganaat met oxalaat. Wijs voor waterige zure oplossingen de oxidatietoestanden toe en verdeel de reactie in de samenstellende halfreacties. Breng vervolgens elke halve reactie in evenwicht, waarbij waterstof en zuurstof worden weggelaten.Hier is mangaan al in evenwicht, maar het oxalaat heeft een coëfficiënt van twee nodig;ten tweede, breng zuurstofatomen in evenwicht met de toevoeging van watermoleculen;en ten derde, breng waterstofatomen in evenwicht door waar nodig protonen toe te voegen. Breng de ladingen in evenwicht door elektronen toe te voegen. Omdat mangaan wordt verminderd, worden vijf elektronen toegevoegd aan de reactantzijde.Omgekeerd wordt oxalaat geoxideerd;zo worden aan de productzijde twee elektronen toegevoegd. Vermenigvuldig de halfreacties met een geheel getal, zodat het aantal toegevoegde elektronen gelijk is. Voeg ten slotte de gebalanceerde halfreacties toe en vereenvoudig ze door soorten aan beide kanten op te heffen om een gebalanceerde redoxreactie te verkrijgen.Voor basische waterige oplossingen is de procedure vergelijkbaar, maar omvat een extra stap. Hier wordt een gelijk aantal hydroxylionen aan beide zijden van de reactie toegevoegd om de protonen te neutraliseren voordat de gebalanceerde halfreacties worden opgeteld.

18.1:

Balanceren van Redox Reacties

Electrochemistry is the science involved in the interconversion of electrical and chemical reactions. Such reactions are called reduction-oxidation, or redox reactions. These important reactions are defined by changes in oxidation states for one or more reactant elements and include a subset of reactions involving the transfer of electrons between reactant species. Electrochemistry as a field has evolved to yield sufficient insights on the fundamental principles of redox chemistry and multiple technologies ranging from industrial-scale metallurgical processes to robust, rechargeable batteries for electric vehicles. As reactions involving the transfer of electrons are essential to the study of electrochemistry, a brief review of redox chemistry includes the following.

Oxidation Numbers

By definition, a redox reaction involves a change in either oxidation number or oxidation state for one or multiple reactants. The oxidation number of an element is an assessment of how the electronic environment of its atoms differs compared to atoms of the pure element. By this definition, an atom in an element carries an oxidation number of zero. For an atom, the oxidation number is equal to the atom's charge in the compound if the compound were ionic. Thus, the sum of oxidation numbers for all atoms in a molecule is equal to the molecule's charge.

Ionic Compounds

Simple ionic compounds are the simplest examples of this formalism since the elements have oxidation numbers equal to their ionic charges. Sodium chloride, NaCl, is composed of Na+ cations and Cl anions, with oxidation numbers for sodium and chlorine being +1 and −1, respectively. Calcium fluoride, CaF2, is composed of Ca2+ cations and F anions, with oxidation numbers for calcium and fluorine, +2, and −1.

Covalent Compounds

Covalent compounds are more challenging in the use of formalism. Water is a covalent compound consisting of two H atoms bonded to an O atom via polar covalent O−H bonds. The shared electrons making an O−H bond are more strongly attracted to the more electronegative O atom. So oxygen acquires a partial negative charge, compared to an O atom in elemental oxygen. As a result, H atoms in a water molecule exhibit a partial positive charge compared to hydrogen atoms in hydrogen gas. The sum of the partial negative and positive charges for each water molecule is zero, making the water molecule neutral.

If the polarization of shared electrons within the O−H bonds of water were complete—the result would be the complete transfer of electrons from H to O, and water would be an ionic compound composed of O2 anions and H+ cations. And so, the oxidations numbers for oxygen and hydrogen in water are −2 and +1, respectively. Applying this same logic to carbon tetrachloride, CCl4, yields oxidation numbers of +4 for carbon and −1 for chlorine. In the nitrate ion, NO3, the oxidation number for nitrogen is +5 and that for oxygen is −2, summing to equal the −1 charge on the molecule:

Eq1

Balancing Redox Equations

The unbalanced equation shown below describes the decomposition of sodium chloride:

Eq2

This reaction matches the criterion for a redox reaction, as the oxidation number for Na decreases from +1 to 0 (by undergoing reduction) and that for Cl increases from −1 to 0 (by undergoing oxidation). The equation case is easily balanced by adding the stoichiometric coefficient of 2 for the NaCl and Na:

Eq3

Redox reactions occurring in aqueous solutions are commonly encountered in electrochemistry, and many involve water or its ions, H+ (aq) and OH(aq), either as reactants or products.

In these cases, equations representing redox reactions can be very challenging to balance merely by inspection, and the use of a systematic approach known as the half-reaction method is helpful. This approach involves the following steps:

  1. Split the equation into its component skeleton oxidation and reduction half-reactions.
  2. Balance each half-reaction for all elements other than O and H.
  3. Balance each half-reaction for O atoms by adding water molecules as needed in the equation.
  4. Balance each half-reaction for H atoms by adding protons as required for the equation.
  5. Finally, balance the charges on the elements by adding electrons as needed.
  6. Multiply the half-reactions by any integer needed to equalize the number of electrons lost in the oxidation half-reaction to the number of electrons gained in the reduction half-reaction.
  7. Add both half-reactions and simplify it further by canceling out common species on both sides of the equation.
  8. If the reaction occurs in an alkaline medium, add OHions to the equation obtained in step 7 to neutralize the protons (added in equal numbers to both sides of the equation) and simplify.
  9. Check the equation to ensure that the charges on the atoms are balanced.

This text is adapted from  Openstax, Chemistry 2e, Chapter 17: Introduction, and Openstax, Chemistry 2e, Section17.2: Review of Redox Chemistry.