Redukcja

Redukcja. Stopnie utlenienia pierwiastków chemicznych. Bilansowanie równań reakcji utleniania-redukcji.

Reakcje utleniania-redukcji (są też nazywane reakcjami redoks) to reakcje, w których pierwiastki zmieniają swój stopień utlenienia, to oznacza, że pierwiastki w substratach będzie miał inny (mniejszy lub większy) stopień utlenienia.

Jak trzeba zaznaczać stopień utlenienia we wzorach?

Pisząc stopień utlenienia my piszemy go nad każdym pierwiastkiem, zapisujemy go liczbą rzymską, pisząc najpierw ładunek (-/+), a potem liczbę.
np.
Stopień utlenienia może być ujemny (wtedy piszemy -), dodatni (zapisujemy go z +) lub zerowy (0), ale są takie pierwiastki, które mogą mieć jak ujemny tak i dodatni i zerowy ładunki.

Jak określić stopień utlenienia pierwiastków z związku chemicznym?

Omówimy kilka reguł, za pomocą których my będziemy mogli określić ten stopień:  

1. Pierwiastki chemiczne w stanie wolnym (kiedy oni nie są w związku) mają zerowy stopień utlenienia.
np. Fe0, N20, O0, O20, O30 

2. Metale mają dodatni stopień utlenienia.

3. Litowce (pierwiastki z grupy pierwszej układu okresowego) zawsze mają stopień utlenienia +1.

4. Berylowce (pierwiastki z grupy drugiej układu okresowego) zawsze mają stopień utlenienia +2.

5. Fluor w związkach chemicznych zawsze ma stopień utlenienia -1.

6. Wodór w związkach chemicznych w zależności od tego z jakim pierwiastkiem jest w związku będzie miał stopień utlenienia 1 (z NIEmetalami) albo -1 (z metalami).

7. Tlen w związkach chemicznych prawie zawsze będzie miał stopień utlenienia -2. Wyjątkami są tlenek fluoru (OF2) tam tlen będzie miał stopien utlenienia +2, nadtlenki (np. H2O2) tam jego stopień utlenienia jest równy -1 i ponadtlenki (np. KO2) w nich stopień utlenienia tlenu jest równy -1/2.

8. W jonach prostych stopień utlenienia pierwiastka zawsze będzie równy ładunkowi tego jonu.
np. np. Pb2+ → +2
Ag+ → +1

Jak sprawdzić czy dobrze przypisaliśmy stopni utlenienia?

Suma stopni utlenienia wszystkich atomów w związku musi wynosić zero, a w jonie złożonym musi być równa ładunkowi tego jonu. Na przykład w CaO wapń ma stopień utlenienia +2, a tlen -2, 2+(-2)=0. Przykład z jonem: SO42- , tlen ma stopień utlenienia -2, a siarka +6, (-2)*4+6=-2 (możemy -2 przez 4, ponieważ mamy 4 atomy tlenu w jonie).

Jak obliczyć stopień utlenienia pierwiastka jeśli on ma więcej niż jeden stopień?

Po pierwsze stopień utlenienia pierwiastka nie może być większy niż liczba elektronów, które on może oddać lub przyjąć, to wynika z konfiguracji elektronowej i elektronów walencyjnych. Obliczymy stopień utlenienia węgla w CO2. My już wiemy, że tlen ma stopień utlenienia -2, możemy teraz napisać równanie. Niech stopień utlenienia węgla to x, wtedy x+(-2)*2=0 x=4.

Reduktor i utleniacz

Reduktor to pierwiastek, który oddaje elektrony i sam utlenia się, natomiast utleniacz to pierwiastek, przyjmujący elektrony i ulegający redukcji. Utleniacz nie może przyjąć więcej elektronów niż oddał reduktor. UWAGA! Reduktory po oddaniu elektronów zwiększają swój stopień utlenienia, a utleniacze po przyjęciu tych elektronów zmniejszają swój stopień utlenienia. Dlaczego? Wynika to z tego że elektrony są cząsteczkami o ładunku ujemnym, dlatego im więcej elektronów przyjmie pierwiastek tym bardziej zmniejszy się jego stopień utlenienia. Proces utlenienia i proces redukcji zawsze zachodzą jednocześnie.

Równania połówkowe

Równania połówkowe to równania, które przedstawiają proces oddania i przyjęcia elektronów, takie równania służą do bilansowania elektronów w reakcjach redoks.

Ustalanie reduktora i utleniacza w reakcjach chemicznych
Mg+Cl2=MgCl2
Substraty tej reakcji są pierwiastkami w stanie wolnym, dlatego Mg i Cl2 mają stopień utlenienia równy 0. Mg jest berylowcem, dlatego w produkcie tej reakcji będzie miał stopień utlenienia równy +2, a stopień utlenienia chloru możemy obliczyć za pomocą równania. Niech stopień utlenienia chloru to x, wtedy 2+x*2=0 2x=-2 x=-1.
Zobaczymy teraz jak zmienili się stopni utlenienia każdego pierwiastka Mg:0 +2, Cl2:0 -1. Stopień utlenienia magnezu zwiększył się, to znaczy, że on jest reduktorem, a stopień chloru się zmniejszył, co oznacza, że chlor jest utleniaczem.

Ustalanie współczynników stechiometrycznych w reakcjach utleniania-redukcji metodą bilansu elektronowego
–IV I  0 IV-II I -II
CH4+ 2O2=CO2+ 2H2O
1. Jakie stopni utlenienia się zmienili?
C: –IV IV
O2: 0 -II
2. Jak oni się zmienili?
C4- – > C4+ + 8e-
2O2 +8e- – > 4O2-

Zastosowanie reakcji redoks w przemyśle

Ta reakcja ma szerokie zastosowanie w przemyśle metalurgicznym, za pomocą tej reakcji otrzymują czyste metali z ich rud. Ten proces jest niezbędny do przepływu prądu, on jest zastosowany przy ładowaniu akumulatorów.