Степени на окисление, окислители и редуктори и уравняване чрез полуреакции

Какво отразява степента на окисление

Степента на окисление е зарядът, който един атом би носил, ако всяка връзка между различни атоми беше напълно йонна, като споделените електрони се присъждат на по-електроотрицателния атом; електроните, споделени между еднакви атоми, се разделят поравно. Това е формално броене, а не измерен заряд. Във водата на кислорода се приписва −2, а на всеки водород +1, макар че реалните частични заряди са много по-малки.

Окисляването е повишаване на степента на окисление, което съответства на загуба на електрони. Редукцията е понижаване на степента на окисление, получаване на електрони. Двете винаги протичат заедно, защото електроните, загубени от една частица, трябва да бъдат получени от друга. При всяко редокс уравнение общото повишаване на степента на окисление е равно на общото понижаване и всеки метод за уравняване се опира на това равенство.

Определяне на степените на окисление по приоритетен ред

Прилагайте правилата отгоре надолу по списъка. Когато две правила си противоречат, печели по-горното, а последният неизвестен атом във формулата се намира по разлика.

За дихидрогенфосфатния йон, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, така че P = +5. За тетратионатния йон, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, така че четирите серни атома са общо +10 и средната стойност е +2.5. Дробен резултат означава, че атоми от един и същ елемент се намират в различна среда и посоченото число е средно. Магнетитът, Fe₃O₄, има средна стойност +8/3, защото съдържа по един Fe²⁺ на всеки два Fe³⁺.

• Атом в чист елемент е 0 (Fe, O₂, S₈).
• Едноатомният йон е равен на своя заряд (Mg²⁺ е +2, Br⁻ е −1).
• Степените на окисление във формулата се сумират до общия ѝ заряд.
• Флуорът е −1 във всичките си съединения.
• Металите от група 1 са +1, а от група 2 – +2 в съединенията.
• Водородът е +1 с неметали и −1 в металните хидриди като NaH.
• Кислородът обикновено е −2, но −1 в пероксидите (H₂O₂), −½ в супероксидите (KO₂) и +2 в OF₂.
• Хлорът, бромът и йодът обикновено са −1, освен когато са свързани с кислород или с по-лек халоген.

Назоваване на окислителя и редуктора

Окислителят приема електрони и предизвиква окисляване на нещо друго, така че сам се редуцира. Редукторът отдава електрони и сам се окислява. Назовавайте цялата частица, а не отделен атом.

Разгледайте 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). Желязото се повишава от +2 до +3, така че Fe²⁺ се окислява и е редукторът. Кислородът пада от −1 в пероксида до −2 във водата, така че H₂O₂ се редуцира и е окислителят. Водородът остава +1 през цялото време. Два железни йона губят по един електрон, а два кислородни атома от пероксида получават по един, така че се губят два електрона и се получават два.

Една частица може да играе и двете роли. В Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O единият хлорен атом преминава от 0 до −1, а другият от 0 до +1. Това е диспропорциониране и Cl₂ е едновременно окислителят и редукторът.

Уравняване чрез полуреакции в кисела среда

Разделянето на окисляването от редукцията ви позволява да уравнявате всеки пренос на електрони поотделно, а после да съчетаете половинките така, че електроните да се съкратят. Водата доставя кислородни атоми, а H⁺ доставя водородни атоми, защото това са частиците, които действително присъстват в киселата вода.

Решен пример 1. В кисела среда дихроматът окислява нитрита: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. Хромът преминава от +6 до +3, а азотът от +3 до +5. Окислителна половина: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, със заряд −1 от всяка страна. Редукционна половина: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, със заряд +6 от всяка страна. Шестте електрона съответстват на два хромни атома, които се променят с по три единици.

Умножете окислителната половина по 3, така че и двете половини да включват 6e⁻, и ги съберете: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Съкратете 6H⁺ и 3H₂O от всяка страна: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. Проверка: Cr 2 и 2; N 3 и 3; O 7 + 6 = 13 и 9 + 4 = 13; H 8 и 8; заряд −2 + 8 − 3 = +3 и +6 − 3 = +3.

• Разделете схемата на уравнението на окислителна и редукционна половина.
• Уравнете всеки елемент освен O и H.
• Уравнете O чрез добавяне на H₂O, после уравнете H чрез добавяне на H⁺.
• Уравнете заряда, като добавите електрони към по-положителната страна.
• Умножете половините така, че електроните да съвпадат, съберете ги и съкратете всичко, което е от двете страни.
• Проверете атомите и заряда и се уверете, че не са останали електрони.

Адаптиране на метода за основна среда

В основна среда OH⁻ е в изобилие и крайното уравнение не трябва да съдържа H⁺. Уравнете, сякаш разтворът е кисел, после добавете достатъчно OH⁻ към двете страни, за да превърнете всеки H⁺ във вода. Добавянето на една и съща частица към двете страни запазва уравнението уравнено.

Решен пример 2. В основна среда хипохлоритът окислява хром(III) хидроксида до хромат: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. Хромът преминава от +3 до +6, а хлорът от +1 до −1. Окислителна половина: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Редукционна половина: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Най-малкото общо кратно на 3 и 2 е 6, така че удвоете първата половина и утроете втората.

Събирането и съкращаването дава 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Добавете 4OH⁻ към двете страни; отдясно 4H⁺ + 4OH⁻ става 4H₂O. Окончателно: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). Проверка: Cr 2 и 2; Cl 3 и 3; O 6 + 3 + 4 = 13 и 8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 и 10; заряд −7 от всяка страна.

Чести грешки в редокс счетоводството

Повечето редокс грешки са грешки в счетоводството и за всяка има конкретна проверка.

Като последен тест потвърдете само със степените на окисление, че загубените електрони са равни на получените. В решен пример 2 два хромни атома губят по 3 електрона (общо 6), а три хлорни атома получават по 2 (също 6).

• Назоваване на атом като окислител или редуктор: пишете, че Cr₂O₇²⁻ е окислителят, а не хромът.
• Броене на промяната на атом, но не на формула: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ изисква 6 електрона, а не 3.
• Поставяне на електроните от грешната страна: те са продукти в окислителната половина и реагенти в редукционната. Ако проверката на заряда не излиза, погледнете първо тук.
• Уравняване на кислорода с O, O₂ или O²⁻ вместо с H₂O. Свободни оксидни йони във водата не съществуват.
• Оставяне на H⁺ в отговор за основна среда или забравяне да се съкрати водата след добавяне на OH⁻.
• Допускане, че кислородът винаги е −2: проверете за пероксиди, супероксиди и O–F връзки.
• Смесване на означенията: степента на окисление се пише със знак първо (+3); зарядът на йон се пише с число първо (3+).