Question

Dane są trzy następujące reakcje redoks:

Na przykładzie reakcji 1 należy szczegółowo omówić wszelkie prawidłowości odnośnie ustalania współczynników reakcji poprzez ustalenie:

---> stopnia utlenienia występujących związków organicznych,
---> bilansu elektronowego,
---> bilansu jonowego.

Ponadto należy znaleźć równania reakcji połówkowych odpowiadających równaniu sumarycznemu. Całą informację zastosować do podanych reakcji 2 i 3.

Dodatkowo poproszę jeszcze o nierozwiązane przykłady z tego właśnie tematu.

Answer 1

W załączniku jest wszystko rozpisane, a tutaj napiszę notatkę :)

 

Co do równania nr 1:

 

w jonie MnO4 (2-) mangan występuje na +VI stopniu utlenienia, bierze się to stąd, że tlen w tlenkach występuje zawsze na -II stopniu utlenienia, a ponieważ mamy jego 4 atomy to po przemnożeniu wychodzi nam (-8), ale jako że jest to dwu-ujemny anion to pozostały pierwiastek, jakim jest Mn obliczamy według równania: -8-(-2) = -6. Jednak w każdym związku chemicznym suma stopni utlenienia wynosi 0, zatem zmieniamy znak na "+", stąd stopień utlenienia Mn wynosi +VI.

 

mamy tutaj do czynienia z reakcją dysproporcji, tzn., że dany pierwiastek zmienia stopień utlenienia z jednego na dwa inne (różne od siebie). i tak oto analogicznie do sposobu opisanego powyżej w jonie MnO4 (-) stopień utlenienia Mn wynosi +VII, ponieważ 4*(-2)-(-1) = -7, po zmianie znaku na przeciwny = +7.

 

jeśli chodzi o tlenek manganu (IV) to analogicznie stopień utlenienia tlenu wynosi z definicji (w tlenkach) -II, zatem 2*(-2) = -4 i po zmianie znaku wychodzi nam stopień utlenienia Mn jako +IV.

 

po ustaleniu stopni utlenienia pierwiastków (w tym przypadku jednego pierwiastka), zmieniających się w reakcji, przystępujemy do napisania równań połówkowych:

 

Mn (VI st.utl) traci 1 elektron i przechodzi na VII stopień utlenienia a w kolejnym równaniu połówkowym, ten sam Mn (VI st.utl.) przyjmuje 2 elektrony przechodząc na IV stopień utlenienia. zapisujemy to tak jak w załączniku, pamiętając, że ilość elektronów w procesie utleniania i redukcji musi być równa, zatem mnożymy (*2) równanie, gdzie Mn się utlenia.

 

sumujemy mangany na VI stopniu utlenienia (w równaniu redukcji mamy 1Mn a w równaniu utleniania mamy 2Mn) i tyle wpisujemy po lewej stronie pierwotnego równania reakcji. podobnie czynimy z Mn na VII i IV st.utl. Pozostaje nam uzupełnić bilans tlenów i wodorów. zaczynamy od tlenu, po lewej stronie równania mamy 3*4=12 tlenów, po prawej 2*4 + 2 = 10, zatem stawiamy "2" przed wodą i sprawdzamy, że uzgodniły nam się także wodory.

 

w celu sprawdzenia poprawności naszego bilansu, liczymy jony. po lewej stronie równania mamy 3*(2-) + 4*(1+) a po prawej stronie mamy 2*(1-), czyli (6-) + (4+) = (2-). lewa strona równa się prawej stronie :)

 

 

Co do równania nr 2:

jeśli widzimy, że powtarza nam się początek łańcucha w związku organicznym zarówno w substratach jak i produktach to bierzemy pod uwagę tylko jego końcówkę, czyli w naszym przypadku grupę aldehydową i grupę karboksylową (w celu wyzanaczenia stopnia utlenienia węgla).

 

i tak oto:

-CHO, wiemy, że wodór występuje na +I st.utl a tlen na -II st.utl, zatem aby obliczyć stopień utlenienia węgla liczymy: +I + (-II) = -I. suma stopni utlenienia musi wynieść 0, więc zmieniamy znak na przeciwny i wychodzi nam C na +I st.utl.

-COOH, liczymy podobnie: (-II) + (-II) + (+I) = -III. zmieniamy znak i wychodzi nam C na +III st.utl.

 

zauważamy, że zmienia nam się także stopień utlenienia srebra:

Ag(NH3)2 (+) ---> "2" na końcu wzoru wskazywałaby nam, że wartościowość Ag wynosi 2, ale skoro mamy ładunek jedno-dodatni to II - (1+) = I. czyli stopień utlenienia Ag wynosi +I.

Ag (jak i inne pierwiastki) w stanie wolnym posiada zerowy stopień utlenienia.

 

piszemy reakcje połówkowe jak w załączniku, zauważając, że musimy przemnożyć (*2) reakcję redukcji, ponieważ musi się nam zgadzać liczba elektronów (w procesie redukcji i utleniania).

 

po lewej stronie równiania mamy 24H a po prawej 23H, po lewej mamy 6O a po prawej 7O. nic nam ta wiedza nie daje, zatem liczymy ładunki:

 

2*(1+) + x*(-) = (1-). z tego wynika, że x = 3. i tę właśnie "3" wstawiamy przed OH(-).

 

 

Co do równania nr 3:

 

zauważamy zmianę stopnia utlenienia żelaza. stopień utlenienia jonu wynosi tyle ile wynosi ładunek tego jonu, zatem Fe (2+) występuje na +II st.utl, natomiast Fe (3+) występuje na +III st.utl.

 

co do chromu:

jak już wiadomo, tlen jest w tlenkach na -II st.utl, biorąc pod uwagę dwu-ujemny anion i DWA atomy chromu obliczamy stopień utlenienia chromu według wzoru:

[7*(-II) - (-2)] / 2 = -VI. zmieniamy znak na przeciwny, aby suma stopni utlenienia wynosiła 0, więc stopień utlenienia Cr wynosi +VI po lewej stronie równania.

 

po prawej stronie równania zgodnie z zasadą, że  stopień utlenienia jonu równy jest jego ładunkowi, Cr występuje na +III st.utl.

 

zapisujemyy równania połówkowe jak w załączniku, pamiętając, że po lewej stronie równania mamy 2 atomu chromu, zatem automatycznie zapisujemy "2" przed Cr (+III st.utl.).

uzupełnianie współczynników tlenu i wodoru to kwestia policzenia najpierw atomów tlenu po lewej stronie i uzupełnienie o brakującą ich liczbę po prawej stronie równania, dokonując przy tym bilansu wodoru.

 

 

Utlenianie - proces, podczas którego pierwiastek podwyższa swój stopień utlenienia.

Redukcja - proces, podczas którego pierwiastek obniża swój stopień utlenienia.

 

Dodatkowe przykłady, o które prosiłaś:

 

1) K2Cr2O7 + KI + H2SO4 -> Cr2(SO4)3 + I2 + K2SO4 + H2O

2) MnO4 (-) + SO3 (2-) + H (+) -> Mn (2+) + SO4 (2-) + H2O

3) Cr2O7 (2-) + CH3CH2OH + H (+) -> Cr (3+) + CH3COOH + H2O

 

pozdrawiam :)

Answer 2

Witaj :)

zadanie 1.

aCH2OH-(CHOH)4-CHO +  bAg[(NH3)2]⁺  + cOH- ------>  aCH2OH-(CHOH)4-COO⁻ +bAg + dNH3 + eH2O

 

Powyższe równanie przedstawia chemiczną reakcję redoks typu:

organicznego  oraz jonowego

Jak w przypadku każdej reakcji chemicznej – obowiązuje prawo zachowania masy, co w praktyce oznacza, że liczby atomów danego rodzaju ( niezależnie czy w postaci cząsteczek, atomów lub jonów) po obu stronach równania muszą być jednakowe.

 

Z charakteru redoks dodatkowo wynika konieczność zerowego bilansu elektronowego, co w praktyce oznacza, że liczba elektronów pobieranych  przez atomy utleniaczy ( które utleniając atomy reduktorów – same się redukują) musi być równa liczbie elektronów oddawanych przez atomy reduktorów ( które redukując atomy utleniaczy – same się  utleniają).

 

Organiczny charakter reakcji redoks często komplikuje zadanie uzgodnienia współczynników reakcji czyli jej zbilansowania. Zwykle przy ustalaniu stopnia utlenienia w związkach organicznych analizuje się każdy atom C osobno przy założeniu, że suma stopni utlenienia danego atomu C i związanych z nim podstawników ( nie będących atomami C) zeruje się. Zgodnie z tym, w naszym przykładzie dla formy zredukowanej będzie:

+I dla C1, 0 dla C2,3,4 i 5 oraz -I dla C6,   a dla formy utlenionej:

+III dla C1, 0 dla C2,3,4 i 5 oraz -I dla C6.

Taka sytuacja pozwala zastosować metodę uproszczoną ponieważ:

---  oba nasze związki organiczne należą do grupy związków złożonych tylko z atomów C, H i O,

--- związki te posiadają taką samą liczbę atomów C zarówno w formie zredukowanej, jak i utlenionej,

--- mają identyczne grupy karboksylowe CH2OH i CHOH w jednakowych ilościach, co oznacza, że zmiana stopnia utlenienia zachodzi tylko w obrębie grupy funkcyjnej.

Uproszczenie to polega na możliwości pominięcia w rozważaniach atomów  od C2 do C6 ponieważ w wyniku reakcji nie zmieniają one swego stopnia utlenienia. Wystarczy uwzględnić atom C1, a pozostałą część – identyczną dla obu cząsteczek organicznych umownie oznaczyć przez np.:  R:

R-CHO --------------------> R-COO⁻

C(I) ----------------------> C(III)......utlenianie reduktora C(I) do C(III),

Jeśli chodzi o reakcję redukcji, to:

Ag(+I) --------> Ag(0)......redukcja utleniacza [Ag(NH3)2]⁺ do Ag(0) + 2NH3

W wyniku bilansu elektronowego redoks otrzymujemy:

C(+I)  –  2e -----> C(+III)...............................|*1

[Ag(NH3)2]⁺  +  2e -----> Ag(0)  +  2NH3............|*2

-----------------------------------------------------------------

C(+I) + 2 [Ag(NH3)2]⁺ ----->  C(+III) + 2Ag(0) + 4NH3.......czyli:

R-CHO + 2 [Ag(NH3)2]⁺ + c OH⁻ ----> R-COO⁻ + 2Ag + 4NH3 +e H2O

 

W ten sposób ustalamy, że współczynniki stechiometryczne wynoszą: a = 1,  b = 2  oraz  d = 2b = 4, dzięki czemu możemy napisać:

R-CHO + 2 [Ag(NH3)2]⁺ + c OH- ----> R-COO⁻ +  2Ag + 4NH3 + e H2O

Mamy również zbilansowane atomy cząsteczek utleniaczy i reduktorów, ale jednocześnie widać, że niespełniona pozostaje zasada zachowania ładunku, gdyż sumaryczny ładunek prawej strony równania   jest różny od sumarycznego ładunku po lewej stronie.

Pożądana równość tych ładunków  zależy teraz  jedynie od liczby jonów OH⁻, gdyż liczby pozostałych jonów zostały już ustalone. Aby ustalić ich liczbę obliczamy sumaryczny  ładunek Qp po prawej stronie równania, Ql po lewej stronie ( ale bez uwzględniania ładunków OH⁻  lub H⁺  występujących w reakcji) i tworzymy różnicę:

Qp – Ql = Q = -1 – 2*(+1) = - 3 < 0, co oznacza, że Ql > Qp czyli powinniśmy zmniejszyć ładunek lewy lub zwiększyć ładunek prawy. Ponieważ zmienić możemy tylko Ql, więc wybieramy wariant I czyli zmniejszenie Ql przez zwiększenie liczby ujemnych grup OH⁻. Oznacza to, że po lewej stronie powinny być 3 jony OH₋, co z kolei implikuje 2 cząsteczki H2O ( bo 3 grupy OH oddają 1 atom O do grupy CHO, która z kolei oddaje 1 atom H).

W ten sposób ustaliliśmy, że c = 3 oraz e =2 i nasze równanie jest w postaci jonowej:

CH2OH-(CHOH)4-CHO + 2Ag(NH3)2]⁺ + 3OH⁻ ------>  CH2OH-(CHOH)4-COO⁻ + 2Ag + 4NH3 + 2H2O

Warto zapamiętać prawidłowość, że gdy:

Q > 0, to zwiększamy liczbę H⁺ po lewej lub liczbę  OH⁻ po prawej stronie równania,

Q < 0, to zwiększamy liczbę  OH⁻ po lewej lub liczbę  H⁺ po prawej stronie równania.

 

Każde równanie redoks można przedstawić w postaci 2 reakcji połówkowych, z których jedna przedstawia proces utleniania, a druga – proces redukcji.                                                                                                                                                              

Oznacza to również, że daną reakcję redoks zrealizować można w ogniwie, na którego anodzie (-) będzie zachodzić utlenianie, a na katodzie (+)  – redukcja:

anoda (-)  R-CHO + 3OH⁻ -  2e ----->  R-COO⁻ + 2H2O........utlenianie

katoda (+)  2[Ag(NH3)2]⁺ +  2e ----->  2Ag  + 4NH3 .........redukcja

 

Schemat ogniwa:

(-) anoda Pt|RCHO, OH⁻ || [Ag(NH3)2]⁺ |Pt katoda (+)

 

zadanie 2.

aMnO₄²⁻ + bH⁺ -----> cMnO₄⁻ + dMnO₂ + eH2O

--- reakcja dysproporcjonowania, w której pewna część jonów MnO₄²⁻ pełni rolę utleniacza, a inna – rolę reduktora.

--- bilans elektronowy:

Mn(+VI)  -  1e ----> Mn(+VII).......|*2........utlenianie MnO₄²⁻  do  MnO₄⁻

Mn(+VI)  +  2e ----> Mn(+IV).......|*1........redukcja MnO₄²⁻  do  MnO₂

----------------------------------------------------------------------------------------

3 MnO(+VI) -----> Mn(+VII)  +  MnO2

W ten sposób ustaliliśmy, że współczynnik  a = 3,  c = 2  oraz  d = 1 :

3MnO₄² + bH⁺ ----> 2MnO₄⁻ + MnO2 +  eH2O

 

--- bilans ładunku sumarycznego:

Q = Qp – Ql =  [2*(-1)] – [3*(-2)] = +4 > 0 --------> Qp > Ql ---------> zwiększamy liczbę b do b = 4, co implikuje e = 2:

3MnO₄²⁻ +  4H+ -----> 2MnO₄⁻  + MnO2 + 2H2O

 

--- połówkowe reakcje  redoks:

2MnO₄²⁻ - 2e -----> 2MnO₄⁻ .....................utlenianie

MnO₄²⁻ +  4H⁺ +  2e -----> MnO2 + 2H2O.......redukcja

 

zadanie 3.

aCr₂O₇²⁻ + bFe²⁺ + cH⁺ -----> aCr³⁺ +  bFe³⁺ +  dH2O

Utleniaczem jest Cr₂O₇²⁻,  a reduktorem  Fe²⁺.  W pierwszej kolejności dodaję współczynnik  2 do Cr³⁺, aby już na wstępie liczby atomów utleniających były równe po obu stronach równania ( liczby atomów redukujących po obu stronach są już równe). Ułatwia to i chroni przed pomyłkami przy późniejszym ewentualnym obustronnym mnożeniu współczynników wyjściowych.

aCr₂O₇²⁻ + bFe²⁺ + cH⁺ -----> 2aCr³⁺ +  bFe³⁺ +  dH2O

 

--- bilans elektronowy:

2Cr(+VI)  +  6e -----> 2Cr³⁺..........|*1..........redukcja Cr₂O₇²⁻ do Cr³⁺

Fe²⁺  -  1e ------> Fe³⁺...............|*6..........utlenianie Fe²⁺  do  Fe³⁺

--------------------------------------------------------------------

2Cr₂O₇²⁻ +  6Fe²⁺ -----> 2Cr³⁺ +  6Fe3+

W ten sposób ustaliliśmy, że współczynnik a = 1  oraz  b = 6.

Cr₂O₇²⁻ +  6Fe²⁺ +  cH⁺ -----> 2Cr³⁺ +  6Fe³⁺ +  dH2O

 

 

--- bilans ładunku sumarycznego:

Q = Qp – Ql = [2*(+3) + 6*(+3)] – [-2 + 6*(+2)] =  +14 > 0  -----> Qp > Ql -----> zwiększamy Ql  dzięki postawieniu c = 14, co implikuje  d = 7:

Cr₂O₇²⁻ + 6Fe²⁺ + 14H⁺ -----> 2Cr³⁺+ 6Fe³⁺ +  7H2O

 

--- połówkowe reakcje redoks:

Cr₂O₇²⁻ +  14H⁺ +  6e -----> 2Cr³⁺ +  7H2O.........redukcja

Fe²⁺ -  1e ------> Fe³⁺.................................utlenianie

 

Do sprawdzenia się:

--- MnO₄⁻  +  SO₃²⁻  +  H₂O  ------------->  MnO₂  +  SO₄²⁻  +  OH⁻

--- MnO₄⁻  +  NO₂⁻  +  OH⁻  --------------->  MnO₄²⁻  +  NO₃⁻  +  H₂O

---  MnO₄⁻  +  Mn²⁺  +  H₂O --------------> MnO₂  +  H⁺

Polecam:

http://www.chem.univ.gda.pl/~tomek/rowna.htm

 

Semper in altum……………………………………………………………pozdrawiam :)

 

Jeśli podoba Ci się to rozwiązanie, możesz uznać je za najlepsze - wówczas otrzymasz zwrot 15% punktów wydanych na to zadanie. W przypadku 1 rozwiązania możesz to zrobić po godzinie od jego dodania.

PS. W razie wątpliwości - pytaj :)