Oxidační čísla, redoxní činidla a vyčíslování metodou poloreakcí

Co oxidační číslo zaznamenává

Oxidační číslo je náboj, který by atom nesl, kdyby každá vazba mezi různými atomy byla zcela iontová a sdílené elektrony by byly přiřazeny elektronegativnějšímu atomu; elektrony sdílené mezi shodnými atomy se dělí rovným dílem. Je to formální počet, nikoli změřený náboj. Ve vodě se kyslíku přiřazuje −2 a každému vodíku +1, ačkoli skutečné parciální náboje jsou mnohem menší.

Oxidace je zvýšení oxidačního čísla, které odpovídá ztrátě elektronů. Redukce je snížení oxidačního čísla, získání elektronů. Obě vždy probíhají společně, protože elektrony ztracené jednou částicí musí získat jiná. V každé redoxní rovnici se celkové zvýšení oxidačního čísla rovná celkovému snížení a na této rovnosti stojí každá metoda vyčíslování.

Přiřazování oxidačních čísel podle priority

Používejte pravidla shora dolů. Když si dvě pravidla odporují, vyhrává to výše postavené, a poslední neznámý atom ve vzorci se najde z rozdílu.

Pro dihydrogenfosforečnanový ion H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, takže P = +5. Pro tetrathionanový ion S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, takže čtyři atomy síry dohromady mají +10 a průměr je +2.5. Zlomkový výsledek znamená, že atomy téhož prvku jsou v různém prostředí a uvedené číslo je průměr. Magnetit, Fe₃O₄, má průměr +8/3, protože obsahuje jeden Fe²⁺ na každé dva Fe³⁺.

• Atom v čistém prvku má 0 (Fe, O₂, S₈).
• Jednoatomový ion se rovná svému náboji (Mg²⁺ je +2, Br⁻ je −1).
• Oxidační čísla ve vzorci se sčítají na jeho celkový náboj.
• Fluor má ve všech sloučeninách −1.
• Kovy 1. skupiny mají ve sloučeninách +1 a kovy 2. skupiny +2.
• Vodík má +1 s nekovy a −1 v hydridech kovů, například NaH.
• Kyslík má obvykle −2, ale −1 v peroxidech (H₂O₂), −½ v superoxidech (KO₂) a +2 v OF₂.
• Chlor, brom a jod mají obvykle −1, kromě případů, kdy jsou vázány na kyslík nebo na lehčí halogen.

Určení oxidačního činidla a redukčního činidla

Oxidační činidlo přijímá elektrony a způsobuje oxidaci něčeho jiného, takže se samo redukuje. Redukční činidlo elektrony odevzdává a samo se oxiduje. Pojmenujte celou částici, nikoli jediný atom.

Uvažujme 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). Železo stoupá z +2 na +3, takže Fe²⁺ se oxiduje a je redukčním činidlem. Kyslík klesá z −1 v peroxidu na −2 ve vodě, takže H₂O₂ se redukuje a je oxidačním činidlem. Vodík zůstává po celou dobu +1. Dva ionty železa každý ztratí jeden elektron a dva atomy kyslíku z peroxidu každý jeden získají, takže se dva elektrony ztratí a dva získají.

Jedna částice může hrát obě role. V Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O jde jeden atom chloru z 0 na −1 a druhý z 0 na +1. To je disproporcionace a Cl₂ je zároveň oxidačním i redukčním činidlem.

Vyčíslování poloreakcemi v kyselém roztoku

Oddělení oxidace od redukce vám umožní vyčíslit každý přenos elektronů zvlášť a pak obě poloviny spojit tak, aby se elektrony zkrátily. Voda dodává atomy kyslíku a H⁺ atomy vodíku, protože to jsou částice skutečně přítomné v kyselé vodě.

Řešený příklad 1. V kyselině dichroman oxiduje dusitan: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. Chrom jde z +6 na +3 a dusík z +3 na +5. Oxidační polovina: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, s nábojem −1 na každé straně. Redukční polovina: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, s nábojem +6 na každé straně. Šest elektronů odpovídá dvěma atomům chromu, z nichž každý se mění o tři jednotky.

Vynásobte oxidační polovinu třemi, aby obě poloviny zahrnovaly 6e⁻, a sečtěte: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Zkraťte 6H⁺ a 3H₂O na obou stranách: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. Kontrola: Cr 2 a 2; N 3 a 3; O 7 + 6 = 13 a 9 + 4 = 13; H 8 a 8; náboj −2 + 8 − 3 = +3 a +6 − 3 = +3.

• Rozdělte kostrovou rovnici na oxidační a redukční polovinu.
• Vyčíslete každý prvek kromě O a H.
• Vyčíslete O přidáním H₂O, pak vyčíslete H přidáním H⁺.
• Vyčíslete náboj přidáním elektronů na kladnější stranu.
• Upravte poloviny tak, aby se elektrony shodovaly, sečtěte je a zkraťte vše, co je na obou stranách.
• Zkontrolujte atomy a náboj a ověřte, že nezůstaly žádné elektrony.

Úprava metody pro zásaditý roztok

V zásaditém roztoku je OH⁻ hojný a konečná rovnice by neměla obsahovat H⁺. Vyčíslete, jako by byl roztok kyselý, a pak přidejte na obě strany tolik OH⁻, aby se každý H⁺ změnil na vodu. Přidání téže částice na obě strany ponechává rovnici vyčíslenou.

Řešený příklad 2. Chlornan oxiduje v zásaditém prostředí hydroxid chromitý na chroman: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. Chrom jde z +3 na +6 a chlor z +1 na −1. Oxidační polovina: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Redukční polovina: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Nejmenší společný násobek čísel 3 a 2 je 6, takže první polovinu zdvojnásobte a druhou ztrojnásobte.

Sečtením a zkrácením dostaneme 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Přidejte 4OH⁻ na obě strany; vpravo se 4H⁺ + 4OH⁻ změní na 4H₂O. Výsledek: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). Kontrola: Cr 2 a 2; Cl 3 a 3; O 6 + 3 + 4 = 13 a 8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 a 10; náboj −7 na každé straně.

Časté chyby v redoxní evidenci

Většina redoxních chyb jsou chyby v evidenci a ke každé existuje konkrétní kontrola.

Jako závěrečný test ověřte pouze pomocí oxidačních čísel, že ztracené elektrony se rovnají získaným. V řešeném příkladu 2 dva atomy chromu každý ztratí 3 elektrony (celkem 6) a tři atomy chloru každý získají 2 (rovněž 6).

• Označení atomu za činidlo: napište, že oxidačním činidlem je Cr₂O₇²⁻, nikoli chrom.
• Počítání změny na atom, ale ne na vzorec: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ vyžaduje 6 elektronů, ne 3.
• Umístění elektronů na špatnou stranu: v oxidační polovině jsou produkty a v redukční polovině reaktanty. Pokud selže kontrola náboje, hledejte nejprve zde.
• Vyčíslování kyslíku pomocí O, O₂ nebo O²⁻ místo H₂O. Volné oxidové ionty ve vodě neexistují.
• Ponechání H⁺ v odpovědi pro zásaditý roztok, nebo zapomenutí zkrátit vodu po přidání OH⁻.
• Předpoklad, že kyslík má vždy −2: ověřte peroxidy, superoxidy a vazby O–F.
• Míchání zápisu: oxidační číslo se píše se znaménkem napřed (+3); náboj iontu se píše s číslem napřed (3+).