Bilansowanie równań reakcji utleniania-redukcji
Uzupełnianie produktów i dobieranie współczynników stechiometrycznych reakcji jest zadaniem koniecznym, ale często trudnym. Szczególnie w reakcjach utleniania-redukcji. Zadanie to często sprawia moim uczniom kłopoty, zwłaszcza w przypadku złożonych reakcji.
W jednym z pierwszych wydań „Kuriera Chemicznego” dr Witold Mizerski zaprezentował inny sposób bilansu reakcji, polegający na dopisywaniu reagentów.
Pomysł jest może sztuczny, ale dobrze sprawdza się w bilansowaniu reakcji utleniania związków organicznych, zachodzących w roztworach wodnych. Sposób dopisywania reagentów nie wymaga znajomości stopni utlenienia reagentów, nie boryka się z pojęciem formalnego stopnia utlenienia atomów węgla.
Jeśli nie spotkaliście się z nim, to zapraszam do jego zastosowania.
Na początek poznajmy reguły:
1. dzielimy zapis reakcji na dwie reakcje połówkowe – niezbędna jest tu umiejętność wyróżnienia utleniacz i reduktora;
2. uzgadniamy niemetale – niemetal nie oznacza tu tlenu i wodoru!
3. uzgadniamy metale;
4. po tej stronie reakcji, w której jest za mało atomów tlenu, dopisujemy je w postaci cząsteczek H2O;
5. po tej stronie reakcji, w której jest za mało atomów wodoru, dopisujemy właściwą liczbę jonów H+;
6. obliczamy sumy ładunków po obu stronach równania i wyrównujemy je poprzez dopisanie odpowiedniej liczby elektronów (pamiętamy, że elektron ma ładunek (-));
7. czynności od reguły 1 do 6 wykonujemy teraz na drugiej reakcji połówkowej;
8. sprawdzamy, czy w obu tych reakcjach liczby elektronów są jednakowe. Jeśli nie, to mnożymy je przez odpowiednie liczby, by ilość elektronów była jednakowa. Po tej czynności dodajemy stronami obie reakcje;
9. sprawdzamy, co da się uprościć;
10. jeśli wiadomo, że reakcja przebiega w roztworze obojętnym lub zasadowym, a po lewej stronie równania obecne są jony H+, to usuwamy je, dodając do obu stron równania taką liczbę jonów OH-, by po lewej stronie związać wszystkie jony H+ i utworzyć cząsteczki H2O.
By sprawdzić ten sposób bilansowania reakcji, rozważę teraz dwa przykłady.
Przykład 1
Reakcja utleniania etanolu z pomocą nadmanganianu potasu KMnO4 w środowisku kwaśnym.
Trzeba wiedzieć, że w trakcie takiej reakcji jony MnO4- ulegają redukcji do jonów Mn2+.
Pierwszą z reakcji połówkowych zapisujemy:
MnO4- à Mn2+
Zgodnie z regułami 2 i 3 uzgadniamy najpierw mangan – po obu stronach jest tyle samo. Teraz tlen – reguła 3 każe dopisać tyle cząsteczek wody, by po obu stronach było po cztery atomy tlenu:
MnO4- à Mn2+ + 4 H2O
Tlen uzgodniony, ale z wodorem nie jest dobrze – zgodnie z regułą 5 dopisujemy po lewej stronie właściwą liczbę jonów H+:
MnO4- + 8 H+ à Mn2+ + 4 H2O
Przystąpmy teraz do policzenia ładunków. Po lewej stronie jest (-1) + 8(+1) = +7. Po prawej mamy (+2). Nie zgadza się, więc wyrównujemy liczbę ładunków, dopisując 5 elektronów po lewej stronie:
MnO4- + 8 H+ + 5e- à Mn2+ + 4 H2O
Pierwsza reakcja połówkowa zapisana.
Druga reakcja połówkowa wymaga znajomości schematu:
Alkohol à Kwas
CH3CH2OH à CH3COOH
Policzmy ilość węgla (reguła 2) – po obu stronach taka sama ilość.
Metali nie ma, więc uzgadniamy ilość tlenu (reguła 4) – po lewej stronie trzeba dopisać wodę:
CH3CH2OH + H2O à CH3COOH
Tlen już OK! Zabierzmy się za wodór – zgodnie z regułą 5 dopisujemy jony H+ po prawej stronie:
CH3CH2OH + H2O à CH3COOH + 4H+
Wyrównajmy ładunki z pomocą elektronów:
CH3CH2OH + H2O à CH3COOH + 4H+ + 4e-
Druga reakcja połówkowa jest teraz gotowa.
Czas na regułę 8:
- wyrównujemy liczby elektronów w reakcjach połówkowych, mnożąc je przez odpowiednie liczby:
MnO4- + 8 H+ + 5e- à Mn2+ + 4 H2O / 4
CH3CH2OH + H2O à CH3COOH + 4H+ + 4e- / 5
- dodajemy reakcje stronami:
4MnO4- + 32 H+ + 20e- + 5CH3CH2OH + 5H2O à 4Mn2+ + 16 H2O + 5CH3COOH + 20H+ + 20e-
Porządkujemy równanie zgodnie z regułą 9 – redukujemy jony wodorowe po stronie prawej i cząsteczki wody po lewej:
4MnO4- + 12 H+ + 5CH3CH2OH à 4Mn2+ + 11 H2O + 5CH3COOH
Bilans reakcji wykonany!
Przykład 2.
Reakcja utleniania etylenu nadmanganianem potasu w środowisku zasadowym.
Schemat reakcji połówkowej utleniacza:
MnO4- à MnO42-
Reguła 2: brak niemetali
Reguła 3: jeden atom manganu po obu stronach
Reguła 4: ilość tlenu jednakowa
Reguła 6: wyrównujemy ładunki elektronami:
MnO4- + e- à MnO42-
Reakcja dla reduktora:
CH2= CH2 à CH2OH - CH2OH
Reguła 2: liczba atomów węgla po obu stronach – jednakowa
Reguła 4: wyrównujemy liczbę atomów tlenu:
CH2= CH2 + 2H2O à CH2OH - CH2OH
Reguła 5: teraz wodór:
CH2= CH2 + 2H2O à CH2OH - CH2OH + 2 H+
Reguła 6: wyrównujemy ładunki:
CH2= CH2 + 2H2O à CH2OH - CH2OH + 2 H+ + 2 e-
Reakcje połówkowe gotowe!
Przed dodaniem ich stronami wyrównajmy elektrony:
2MnO4- + 2e- à 2MnO42-
CH2= CH2 + 2H2O à CH2OH - CH2OH + 2 H+ + 2 e-
Wynik ich dodawania:
2MnO4- + 2e- + CH2= CH2 + 2H2O à2MnO42- + CH2OH - CH2OH + 2H+ + 2 e-
Wiedząc, że jony MnO4- redukują się do jonów MnO42- w środowisku zasadowym, stwierdzamy, że obecność jonów wodorowych ni jest możliwa w tej reakcji. Dopisujemy więc po obu stronach po dwa jony wodorotlenowe OH-, by związać jony H+ w cząsteczki wody:
2MnO4- + 2e- + CH2= CH2 +2H2O + 2OH- à2MnO42- + CH2OH - CH2OH + 2H2O + 2 e-
Stosujemy regułę 9 i upraszczamy elektrony i cząsteczki wody:
2MnO4- + CH2= CH2 + 2OH- à2MnO42- + CH2OH - CH2OH
Pełen sukces!
Przedstawioną powyżej metodę dobierania współczynników stechiometrycznych w reakcjach redoks stosuję z powodzeniem od dziesięciu lat do rozwiązywania zadań konkursowych i olimpijskich podczas pracy z uczniami zdolnymi na zajęciach koła chemicznego. Przydatna jest zwłaszcza wówczas, gdy nie jest oczywisty stopień utlenienia pierwiastków w reakcjach redoks z udziałem związków organicznych.