1.3.3   Zapis i uzgadnianie równania chemicznego. Reakcje redox.

Zapis reakcji chemicznej określa jej przebieg pod względem składu jakościowego i ilościowego reagentów. Substancje wyjściowe to substraty, a te które powstają w wyniku reakcji to produkty. Uzgodnienie reakcji polega na zrównaniu ilości poszczególnych atomów po lewej i prawej stronie reakcji przez zastosowanie odpowiednich współczynników stechiometrycznych. Np.:

W niektórych reakcjach współczynniki stechiometryczne osiągają duże wartości i uzgodnienie tych reakcji bez przygotowania jest kłopotliwe. Dotyczy to w szczególności reakcji utleniania i redukcji zwanych reakcjami redox. Np.:

Uzgodnienie tej reakcji przez bilans współczynników stechiometrycznych poszczególnych atomów jest bardzo żmudne i zajmuje dużo czasu. Reakcję tę uzgodnimy po poznaniu schematu uzgadniania reakcji redox.

W reakcjach redox zachodzą procesy utleniania i redukcji. Termin „utlenienie” znaczył początkowo jedynie reakcję łączenia się z tlenem np.:

Podczas przebiegu tej reakcji zmieniają się stopnie utlenienia pierwiastków. Cynk przed reakcją występujący w stanie wolnym jest na zerowym stopniu utlenienia, a po reakcji na +2. Reakcja łączenia się z tlenem połączona jest z procesem przejścia Zn⁰ Zn⁺². Towarzyszy mu proces utraty 2 elektronów. A więc utrata elektronów może być podstawą definicji utleniania. Uogólniona definicja określa utlenianie jako proces przekazywania elektronów, który związany jest ze zwiększaniem się stopnia utlenienia pierwiastka.

W tej samej reakcji tlen również zmienia swój stopień utlenienia. Po lewej stronie reakcji występuje w stanie wolnym, czyli posiada 0 stopień utlenienia. Po prawej stronie reakcji występuje w postaci tlenku cynku ZnO, więc jego stopień utlenienia wynosi –2. W czasie reakcji tlen przeszedł z 0 na –2 stopień utlenienia. Zmiana stopnia utlenienia nastąpiła przez przesunięcie 2 elektronów. Tlen uległ redukcji. Redukcją określa się proces przyłączenia elektronów, którego skutkiem jest zmniejszenie się stopnia utlenienia. W czasie przebiegu reakcji chemicznej proces utlenienia i redukcji są sprzężone z sobą. Substancję, która ulega redukcji nazywa się utleniaczem, zaś utleniająca się nosi nazwę reduktora. Ilości wymienianych elektronów w procesach utleniania i redukcji są sobie równe. Zostało to wykorzystane do uzgadniania reakcji redox.

 Przykład 9.

Uzgodnij reakcję redox:

Rozwiązanie

Aby uzgodnić reakcję należy ustalić stopnie utlenienia pierwiastków uczestniczących w reakcjach utleniania i redukcji.

Teraz można ustalić, że glin i azot zmieniły stopień utlenienia. Napiszmy reakcję utlenienia. Zgodnie z definicją jest to proces przekazywania elektronów i jednocześnie wzrostu stopnia utlenienia. Zatem utlenia się glin tracąc trzy elektrony

Azot w trakcie reakcji zmienia stopień utlenienia z +5 na +4, zatem ulega redukcji przyłączając 1 elektron

Kolejny krok to bilans ilości elektronów przeznaczonych na procesy redukcji i utlenienia. Można go wykonać mnożąc pierwszą reakcję przez 1, a drugą przez 3.

utlenianie 1/2*1

redukcja 1/2*3

W ten sposób ilość elektronów wymienionych w procesie redukcji i utleniania jest sobie równa, a współczynniki zapewniające prawidłowy bilans elektronów można umieścić w równaniu, jako współczynniki stechiometryczne. Warto jednak zauważyć, że po prawej stronie równania glin występuje w postaci Al₂O₃, co świadczy o potrzebie uzgodnienia parzystej liczby atomów glinu. Uwzględnia to poniższy zapis, w którym podwojono współczynniki:

utlenianie 1/2*2

redukcja 1/2*6

Po wpisaniu współczynników stechiometrycznych i zbilansowaniu ilości atomów wodoru uzyskujemy końcowy zapis

 Przykład 10.

Uzgodnij reakcję redox:

Podobnie jak w poprzednim przykładzie ustalamy stopnie utlenienia atomów, aby ustalić które z nich ulegają utlenieniu i redukcji.

Po stwierdzeniu, że utlenia się żelazo, a redukuje azot można napisać procesy utleniania i redukcji

utlenianie 1/2*3

redukcja 1/2*1

Należy zwrócić uwagę, że w przedstawionym wyżej procesie biorą tylko te atomy, które uczestniczą w procesach redox. Nie uwzględniono tu tych atomów azotu, które biorą udział w reakcji nie zmieniając stopnia utlenienia. A takie właśnie atomy azotu będące na +5 stopniu utlenienia występują w azotanie(V) żelaza(III). Ilość tych atomów uzgadnia się dodatkowo powiększając ilość kwasu azotowego, co zaznaczono w zapisie reakcji:

 Przykład 11.

Uzgodnij reakcję redox:

Po stwierdzeniu, że siarka ulega utlenieniu (jest reduktorem), a azot się częściowo redukuje (jest utleniaczem), można napisać procesy utleniania i redukcji:

utlenianie     1/2*3

redukcja  1/2*8

Przed wpisaniem uzyskanych współczynników do równania reakcji należy sprawdzić, czy nie trzeba będzie stosować współczynników ułamkowych. Tak jest w przypadku siarki. Mają być trzy atomy siarki. Ta ilość siarki jest zawarta w 3/5 cząsteczki As₂S₅. Żeby uniknąć współczynników ułamkowych należy pięciokrotnie zwiększyć współczynniki

utlenianie     1/2*3*5 = 15

redukcja  1/2*8*5 = 40

Uzyskane współczynniki 15 i 40 należy umieścić w odpowiednich miejscach w równaniu. Pamiętać należy o tym, że uzgodnienie dotyczy tej części atomów azotu, która uległa redukcji. Tę część, która jest potrzebna do utworzenia sześciu cząsteczek azotanu(V) arsenu(V) należy doliczyć dodatkowo, po uzgodnieniu ilości atomów arsenu.