Ważne pojęcia Stopień utlenienia Utleniacz Reduktor Utlenianie (dezelektronacja) Stopień utlenienia pierwiastka w dowolnym połączeniu chemicznym jest pojęciem umownym i określa ładunek, który istniałby na atomie tego pierwiastka, gdyby elektrony w każdym wiązaniu utworzonym przez dany atom należały do atomu bardziej elektroujemnego. Utleniaczami są atomy, jony lub cząsteczki posiadające zdolność przyjmowania elektronów tzn. odbierania ich od innych atomów lub grup atomów, powodując w ten sposób ich utlenienie. Utleniacze utleniając inne substancje, same ulegaja redukcji Reduktorami są atomy, jony lub cząsteczki posiadające zdolność oddawania elektronów innym atomom, jonom lub cząsteczkom, powodując redukcję tych substancji. Reduktory w procesie redukcji same ulegają utlenieniu. Utlenianie to reakcja chemiczna, w której jakiś atom (lub ich grupa) przechodzi z niższego na wyższy stopień utlenienia (oddaje elektrony).
Redukcja ( elektronacja) Reakcja utleniania-redukcji ( procesy redoksowe, reakcja redoks) Prawo zachowania ładunku Reakcje dysproporcjonowania (dysmutacji, autoredoksydacji, samoutlenienia - samoredukcji ) Reakcje synproporcjonowania Proces, w trakcie którego atom lub ich grupa przechodzi z wyższego na niższy stopień utlenienia. Reakcją utlenienia-redukcji nazywamy proces, w którym następuje wymiana elektronów między substancją utleniającą a substancją redukującą, na skutek czego atomy pierwiastków biorących udział w reakcji zmieniają swój stopień utlenienia. W układzie reagującym ilość elektronów pobranych i oddanych jest taka sama. znacza to, że procesowi utleniania zawsze towarzyszy proces redukcji. Pewien typ reakcji redoks, w którym utlenieniu i redukcji ulegają jednocześnie różne atomy tego samego pierwiastka, ten sam związek pełni role i utleniacza i reduktora. W reakcji synproporcjonowania produktem procesu utleniania i procesu redukcji jest ta sama substancja.
Stopień utlenienia Stopień utlenienia pierwiastka w związku chemicznym podaje się za pomocą cyfry rzymskiej zapisanej nad symbolem pierwiastka (ujemny stopień utlenienia poprzedza się znakiem minus). Zasady określania stopnia utlenienia: 1.Stopień utlenienia pierwiastków w stanie wolnym wynosi zawsze zero, niezależnie od liczby wiązań, jakie tworzą między sobą atomy..suma stopni utlenienia w cząsteczce obojętnej równa jest zero, a w jonie złożonym równa jest ładunkowi tego jonu.. Stopień utlenienia pierwiastka w prostym jednoatomowym jonie równy jest ładunkowi tego jonu.. Tlen w związkach z reguły ma stopień utlenienia -II, z wyjątkiem związków, w których występuje wiązanie między dwoma atomami tlenu oraz z wyjątkiem związków z fluorem. 5. Wodór w związkach z reguły ma stopień utlenienia I, z wyjątkiem wodorków metali i innych prostych związków z pierwiastkami mniej od niego elektroujemnymi, w których ma stopień utlenienia -I. 6. Litowce w związkach mają zawsze stopień utlenienia I, a berylowce stopień utlenienia II. 7. Fluor w związkach ma zawsze stopień utlenienia -I. 8. Chlor w związkach z reguły ma stopień utlenienia -I, z wyjątkiem związków z fluorem i z tlenem.
Przykłady określania stopnia utlenienia pierwiastka w cząsteczce i jonie. N wodór: stopień utlenienia I ładunek cząsteczki 0 azot: x+ (+1)= 0, x=- azot: stopień utlenienia -III Na S sód: stopień utlenienia +1 tlen: stopień utlenienia - x+ (+1)+ (-)=0 siarka: stopień utlenienia II Należy pamiętać, że stopnie utlenienia są wielkościami umownymi i zależą od sposobu jak i reguł według których się je oblicza. Służą one jedynie do księgowania elektronów. Cl tlen: stopień utlenienia - wodór: stopień utlenienia +1 ładunek cząsteczki 0 x+ (-)+1=0, x=+7 chlor: stopień utlenienia VII Cr 7 - tlen: stopień utlenienia - ładunek cząsteczki - x+7 (-)= -, x=+6 chrom: stopień utlenienia VI
Metale Chętniej oddają elektrony, dlatego najczęściej tworzą kationy i występują w związkach na dodatnim stopniu utlenienia. Niemetale Chętnie przyjmują elektrony tworząc aniony i wystepują na ujemnym stopniu utlenienia. Półmetale Zachowują się najczęściej jak metale i dlatego występują na dodatnim stopniu utlenienia. Gazy szlachetne Mają idealną liczbę elektronów, dlatego bardzo rzadko tworzą związki, a inne pierwiastki poprzez pobranie lub oddanie dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej odpowiedniego gazu szlachetnego.
Gazy szlachetne Metale Niemetale Półmetale Żaden pierwiastek nie może uzyskać wyższego stopnia utlenienia niż tradycyjny numer grupy ( IA, IIA itp..) do której należy. Wyjątek stanowią Cu, Au.
UTLENIACZ utlenienie redukcja REDUKTR Podczas reakcji elektrony przechodzą od reduktora do utleniacza. Proces utlenienia przebiega zawsze równolegle z procesem redukcji i odwrotnie, redukcji towarzyszy utlenienie. Utleniacze, utleniając inne substancje, same ulegają redukcji. Do substancji ulegających redukcji, czyli utleniaczy należą: Pierwiastki najbardziej elektroujemne (niemetale) a więc: fluor F, chlor Cl, brom Br oraz tlen, Jony metali na wyższym stopniu utlenienia. Związki chemiczne ( jak również ich jony ) w których występują pewne pierwiastki na najwyższych stopniach utlenienia np. nadmanganian potasowy KMn ( Mn VII ), dwuchromian potasowy K Cr 7 ( Cr VI ), nadtlenek wodoru ( -I ), azotan potasowy KN ( N V ) kwas azotowy N ( N V ) oraz wiele innych. Do substancji ulegających utlenieniu, czyli reduktorów należą: Przede wszystkim pierwiastki najbardziej elektrododatnie (metale) Jony metali i niemetali na niższym stopniu utlenienia. Niemetale ( np. C, N, S, ) Związki chemiczne, które posiadają atomy metali lub niemetali na niższym stopniu utlenienia, np. chlorek cynowy SnCl, chlorek żelaza FeCl, kwas siarkowy (IV) S, azotan (III) sodu NaN, tlenek węgla C itp.
Przykłady Ca + --> Ca utlenianie- Ca 0 --> Ca II + e redukcja- 0 + e --> -II reduktor utleniacz CuCl + Al --> AlCl + Cu utleniacz reduktor Cu +II + 6e --> Cu 0 redukcja, Al 0-6e --> Al +III utlenienie, Cu + S CuS + S + Cu 0 e --> Cu +II S VI - + e --> S IV reduktor utleniacz
Wyznaczanie współczynników w równaniach reakcji redoks Metoda równań połówkowych (ion-electron method) korzysta z faktu, że w wyniku reakcji chemicznej nie powstaje makroskopowy ładunek elektryczny, co oznacza, że elektrony nie będą występować w bilansie materiałowym reakcji. Atom zwiększa swój stopień utlenienia oddając elektrony. W myśl prawa zachowania masy i ładunku, w reakcji chemicznej ani atomy, ani elektrony nie mogą zaginąć, więc inny atom musi te elektrony przyjąć (ulega on redukcji). Równanie reakcji chemicznej można rozbić na dwie części, tzw. równania reakcji połówkowych. W jednym równaniu reakcji zachodzi proces utlenienia, a w drugim redukcji. Dla każdego z równań reakcji połówkowych współczynniki równania dobiera się oddzielnie. Liczba elektronów pobranych przez utleniacz musi być równa liczbie elektronów oddanych przez reduktor. Taką wspólną liczbą elektronów dla reduktora i utleniacza jest Najmniejsza Wspólna Wielokrotność - NWW.
Zapis reakcji połówkowych: reduktor A n A ē utleniacz A utleniacz B + n B ē reduktor B Bilansowanie reakcji redoks: reduktor A n A ē utleniacz A / n B utleniacz B + n B ē reduktor B / n A Zapis reakcji redoks powstaje na skutek dodania reakcji cząstkowych stronami: n B reduktor A n B n A ē + n A utleniacz B + n A n B ē n A reduktor B + n B utleniacz A
Algorytm postępowania: obliczamy stopnie utlenienia atomów po lewej i prawej stronie równania reakcji (dla substratów i produktów) Znajdujemy atomy, które zmieniły swój stopień utlenienia. kreślamy atom który uległ redukcji (utleniacz) i atom który uległ utlenieniu ( reduktor) Zapisujemy połówkowe równania reakcji - z udziałem atomu, który uległ redukcji - z udziałem atomu, który uległ utlenieniu (kolejność dowolna) W równaniu połówkowym jony z atomami, które zmieniły swój stopień utlenienia powinny być zapisane w takiej postaci w jakiej występują w równaniu reakcji. Dodać w razie potrzeby czy jony +, - w celu zbilansowania równania reakcji. Sprawdzamy czy każde z równań reakcji połówkowych z osobna spełnia prawo zachowania masy i ładunku bliczamy NWW (wspólną liczbą elektronów dla reduktora i utleniacza) i mnożymy przez wyznaczone mnożniki. Dodajemy stronami równania połówkowe, oraz zsumowujemy wyrażenia podobne. Jeżeli po tej samej stronie równania reakcji wystąpią jony wodorotlenowe i wodorowe, to łączymy je w cząsteczki wody. W końcowym równaniu sprawdzamy bilans masy i ładunków.
Przykłady 1.Reakcja bizmutu z siarką:. Substraty Bi 0 ; S 0 Produkt Bi III S -II Bi 0 - e --> Bi III - utlenianie S 0 + e --> S -II redukcja. Bi 0-6e Bi III S 0 + 6e S -II. Bi 0 + S 0-6e +6e --> Bi III S -II Rozpatrywaną reakcję można zapisać jako:
środowisko obojętne: dysponujemy tylko cząsteczkami wody, które możemy dodać po stronie substratów. Z każdej cząsteczki wody możemy wziąć jeden brakujący jon wodorowy (powstanie z niej jon wodorotlenowy), lub przyłączyć do niej jeden atom tlenu (powstaną dwa jony wodorotlenowe). Jeżeli w jednym równaniu połówkowym powstają jony wodorowe lub wodorotlenowe, możemy ich użyć w następnym równaniu połówkowym środowisko kwaśne: dysponujemy dowolną ilością cząsteczek wody i jonów wodorowych. Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając odpowiednią ilość cząsteczek wody. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy jonami wodorowymi + środowisko alkaliczne: dysponujemy jonami wodorotlenowymi i cząsteczkami wody, które możemy dodawać po stronie substratów w takiej ilości by zbilansować równanie połówkowe pod względem prawa zachowania masy. Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając jony wodorotlenowe - w ilości dwukrotnie większej. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy odpowiednią ilością cząsteczek wody.
Reakcja w środowisku obojętnym. Jeśli środowisko reakcji jest obojętne, do substratów możemy dodawać tylko wodę. KMn Mn S Mn S Mn e e K S 6e 6e 6e S Mn S S Mn Mn 8 6 K S 6e K Mn 8 S 6 Mn KMn S K S Mn Mn S K S K redukcja 6elektronów KMn K S Mn K S K Utlenienie -6 elektronów
Reakcja w środowisku kwaśnym Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając odpowiednią ilość cząsteczek wody. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy jonami wodorowymi + KMn Mn S Mn 5S Mn Mn KMn K S 5e 8 10e 16 10e 5 e 10e 16 5S 5K S S 6 S Mn Mn 5S 5S Mn S MnS 5 8 10 10e 5 5S MnS K S Mn 6K S 8 5S 10 redukcja 10elektronów KMn 5K S S MnS 6K S Utlenianie 10e
Reakcja w środowisku zasadowym Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając jony wodorotlenowe - w ilości dwukrotnie większej. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy odpowiednią ilością cząsteczek wody. KMn Mn S Mn S Mn e e e K S e Mn K Mn e S S S e K Mn K S Mn redukcja e KMn K S K K Mn Utlenienie e S K S
Podsumowanie Stopień utlenienia to umowny ładunek atomów obliczany przy założeniu, że cząsteczka składa się z samych jonów. Stopień utlenienia zaznaczamy liczbą rzymską nad symbolem, a przy stopniu ujemnym poprzedzamy ją znakiem -. Algebraiczna suma stopni utlenienia w cząsteczce zawsze równa jest 0. W związku ze stopniem utlenienia reakcje chemiczne można podzielić na dwa rodzaje: -reakcje zachodzące bez zmiany stopnia utlenienia atomów, - reakcje zachodzące ze zmianą stopnia utlenienia atomów. W reakcjach redoks liczba oddanych i pobranych elektronów musi być taka sama. Utleniacz pobiera elektrony sam się redukując, a reduktor oddaje elektrony ulegając utlenieniu. Atomy na najwyższym stopniu utlenienia mogą być tylko utleniaczami a na najniższym tylko reduktorami. Mały Pomocnik: http://www.webqc.org/balance.php