Oksidacijski brojevi, redoks agensi i izjednačavanje polureakcijama

Šta oksidacijski broj bilježi

Oksidacijski broj je naboj koji bi atom nosio kada bi svaka veza između različitih atoma bila potpuno ionska, uz dodjelu zajedničkih elektrona elektronegativnijem atomu; elektroni koje dijele identični atomi dijele se podjednako. To je formalno brojanje, a ne izmjeren naboj. U vodi se kisiku dodjeljuje −2, a svakom vodiku +1, iako su stvarni parcijalni naboji mnogo manji.

Oksidacija je porast oksidacijskog broja, što odgovara gubitku elektrona. Redukcija je smanjenje oksidacijskog broja, odnosno primanje elektrona. Njih dvoje uvijek se odvijaju zajedno, jer elektrone koje izgubi jedna vrsta mora primiti druga. U svakoj redoks jednačini ukupni porast oksidacijskog broja jednak je ukupnom smanjenju, i svaka metoda izjednačavanja počiva na toj jednakosti.

Određivanje oksidacijskih brojeva po redoslijedu prioriteta

Primjenjujte pravila od vrha liste prema dolje. Kada se dva pravila sukobe, pobjeđuje više, a posljednji nepoznati atom u formuli nalazi se razlikom.

Za dihidrogenfosfatni ion, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, pa je P = +5. Za tetrationatni ion, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, pa četiri atoma sumpora ukupno daju +10, a prosjek je +2.5. Razlomljen rezultat znači da atomi istog elementa stoje u različitim okruženjima, a navedeni broj je prosjek. Magnetit, Fe₃O₄, ima prosjek +8/3 jer sadrži jedan Fe²⁺ na svaka dva Fe³⁺.

• Atom u čistom elementu je 0 (Fe, O₂, S₈).
• Jednoatomni ion jednak je svom naboju (Mg²⁺ je +2, Br⁻ je −1).
• Oksidacijski brojevi u formuli zbrajaju se u njen ukupni naboj.
• Fluor je −1 u svim svojim spojevima.
• Metali 1. grupe su +1, a metali 2. grupe +2 u spojevima.
• Vodik je +1 s nemetalima i −1 u metalnim hidridima poput NaH.
• Kisik je obično −2, ali −1 u peroksidima (H₂O₂), −½ u superoksidima (KO₂) i +2 u OF₂.
• Hlor, brom i jod obično su −1, osim kada su vezani za kisik ili za lakši halogen.

Imenovanje oksidansa i reduktansa

Oksidans prima elektrone i uzrokuje oksidaciju nečeg drugog, pa se sam reducira. Reduktans daje elektrone i sam se oksidira. Imenujte cijelu vrstu, a ne pojedinačni atom.

Razmotrite 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). Željezo raste s +2 na +3, pa se Fe²⁺ oksidira i reduktans je. Kisik pada s −1 u peroksidu na −2 u vodi, pa se H₂O₂ reducira i oksidans je. Vodik ostaje +1 cijelo vrijeme. Dva iona željeza gube po jedan elektron, a dva peroksidna atoma kisika primaju po jedan, pa se dva elektrona gube i dva primaju.

Jedna vrsta može imati obje uloge. U Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O jedan atom hlora prelazi s 0 na −1, a drugi s 0 na +1. To je disproporcioniranje, a Cl₂ je istovremeno oksidans i reduktans.

Izjednačavanje polureakcijama u kiseloj sredini

Razdvajanje oksidacije od redukcije omogućava vam da izjednačite svaki prijenos elektrona zasebno, a zatim spojite polovine tako da se elektroni skrate. Voda daje atome kisika, a H⁺ atome vodika, jer su to vrste koje su zaista prisutne u kiseloj vodi.

Riješeni primjer 1. U kiselini dihromat oksidira nitrit: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. Hrom prelazi s +6 na +3, a dušik s +3 na +5. Oksidaciona polovina: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, s nabojem −1 na svakoj strani. Redukciona polovina: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, s nabojem +6 na svakoj strani. Šest elektrona odgovara dvama atomima hroma koji se mijenjaju za po tri jedinice.

Pomnožite oksidacionu polovinu sa 3 tako da obje polovine uključuju 6e⁻, a zatim saberite: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Skratite 6H⁺ i 3H₂O sa svake strane: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. Provjera: Cr 2 i 2; N 3 i 3; O 7 + 6 = 13 i 9 + 4 = 13; H 8 i 8; naboj −2 + 8 − 3 = +3 i +6 − 3 = +3.

• Podijelite skeletnu jednačinu na oksidacionu i redukcionu polovinu.
• Izjednačite svaki element osim O i H.
• Izjednačite O dodavanjem H₂O, a zatim izjednačite H dodavanjem H⁺.
• Izjednačite naboj dodavanjem elektrona na pozitivniju stranu.
• Pomnožite polovine tako da se elektroni poklope, saberite ih i skratite sve što je na obje strane.
• Provjerite atome i naboj te potvrdite da nijedan elektron nije ostao.

Prilagođavanje metode za baznu sredinu

U baznoj sredini OH⁻ je obilan i konačna jednačina ne bi trebala sadržavati H⁺. Izjednačite kao da je sredina kisela, a zatim dodajte dovoljno OH⁻ na obje strane da se svaki H⁺ pretvori u vodu. Dodavanje iste vrste na obje strane održava jednačinu izjednačenom.

Riješeni primjer 2. Hipohlorit oksidira hrom(III)-hidroksid u hromat u bazi: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. Hrom prelazi s +3 na +6, a hlor s +1 na −1. Oksidaciona polovina: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Redukciona polovina: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Najmanji zajednički višekratnik od 3 i 2 je 6, pa udvostručite prvu polovinu i utrostručite drugu.

Sabiranjem i kraćenjem dobija se 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Dodajte 4OH⁻ na obje strane; na desnoj strani 4H⁺ + 4OH⁻ postaje 4H₂O. Konačno: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). Provjera: Cr 2 i 2; Cl 3 i 3; O 6 + 3 + 4 = 13 i 8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 i 10; naboj −7 na svakoj strani.

Česte greške u redoks evidenciji

Većina redoks grešaka su greške u evidenciji, a za svaku postoji posebna provjera.

Kao završni test, potvrdite samo pomoću oksidacijskih brojeva da su izgubljeni elektroni jednaki primljenim. U riješenom primjeru 2 dva atoma hroma gube po 3 elektrona (ukupno 6), a tri atoma hlora primaju po 2 (također 6).

• Imenovanje atoma kao agensa: napišite da je Cr₂O₇²⁻ oksidans, a ne hrom.
• Brojanje promjene po atomu, a ne po formuli: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ zahtijeva 6 elektrona, a ne 3.
• Stavljanje elektrona na pogrešnu stranu: oni su produkti u oksidacionoj polovini i reaktanti u redukcionoj. Ako provjera naboja ne uspije, prvo potražite ovdje.
• Izjednačavanje kisika pomoću O, O₂ ili O²⁻ umjesto H₂O. Slobodni oksidni ioni ne postoje u vodi.
• Ostavljanje H⁺ u odgovoru za baznu sredinu ili zaboravljanje kraćenja vode nakon dodavanja OH⁻.
• Pretpostavka da je kisik uvijek −2: provjerite perokside, superokside i veze O–F.
• Miješanje zapisa: oksidacijski broj piše se prvo s predznakom (+3); naboj iona piše se prvo brojem (3+).