Αριθμοί οξείδωσης, οξειδωτικά και αναγωγικά μέσα και εξισορρόπηση με ημιαντιδράσεις

Τι καταγράφει ένας αριθμός οξείδωσης

Ο αριθμός οξείδωσης είναι το φορτίο που θα είχε ένα άτομο αν κάθε δεσμός μεταξύ διαφορετικών ατόμων ήταν πλήρως ιοντικός, με τα κοινά ηλεκτρόνια να αποδίδονται στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο· τα ηλεκτρόνια που μοιράζονται πανομοιότυπα άτομα διαιρούνται εξίσου. Είναι τυπική καταμέτρηση και όχι μετρημένο φορτίο. Στο νερό, το οξυγόνο παίρνει −2 και κάθε υδρογόνο +1, παρότι τα πραγματικά μερικά φορτία είναι πολύ μικρότερα.

Οξείδωση είναι η αύξηση του αριθμού οξείδωσης, που αντιστοιχεί σε απώλεια ηλεκτρονίων. Αναγωγή είναι η μείωση του αριθμού οξείδωσης, δηλαδή κέρδος ηλεκτρονίων. Τα δύο συμβαίνουν πάντα μαζί, επειδή τα ηλεκτρόνια που χάνει ένα είδος πρέπει να τα κερδίζει ένα άλλο. Σε κάθε εξίσωση οξειδοαναγωγής, η συνολική αύξηση του αριθμού οξείδωσης ισούται με τη συνολική μείωση, και κάθε μέθοδος εξισορρόπησης στηρίζεται σε αυτή την ισότητα.

Απόδοση αριθμών οξείδωσης με σειρά προτεραιότητας

Εφαρμόστε τους κανόνες από την κορυφή της λίστας προς τα κάτω. Όταν δύο κανόνες συγκρούονται, κερδίζει ο υψηλότερος, και το τελευταίο άγνωστο άτομο σε έναν τύπο βρίσκεται με διαφορά.

Για το διυδρογονοφωσφορικό ιόν, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, άρα P = +5. Για το τετραθειονικό ιόν, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, άρα τα τέσσερα άτομα θείου αθροίζουν +10 και ο μέσος όρος είναι +2.5. Ένα κλασματικό αποτέλεσμα σημαίνει ότι άτομα του ίδιου στοιχείου βρίσκονται σε διαφορετικά περιβάλλοντα και ο αριθμός που αναφέρεται είναι μέσος όρος. Ο μαγνητίτης, Fe₃O₄, έχει μέσο όρο +8/3 επειδή περιέχει ένα Fe²⁺ για κάθε δύο Fe³⁺.

• Ένα άτομο σε καθαρό στοιχείο έχει 0 (Fe, O₂, S₈).
• Ένα μονοατομικό ιόν ισούται με το φορτίο του (το Mg²⁺ είναι +2, το Br⁻ είναι −1).
• Οι αριθμοί οξείδωσης σε έναν τύπο αθροίζουν στο συνολικό φορτίο του.
• Το φθόριο είναι −1 σε όλες τις ενώσεις του.
• Τα μέταλλα της ομάδας 1 είναι +1 και τα μέταλλα της ομάδας 2 είναι +2 στις ενώσεις.
• Το υδρογόνο είναι +1 με αμέταλλα και −1 στα υδρίδια μετάλλων όπως το NaH.
• Το οξυγόνο είναι συνήθως −2, αλλά −1 στα υπεροξείδια (H₂O₂), −½ στα σουπεροξείδια (KO₂) και +2 στο OF₂.
• Το χλώριο, το βρώμιο και το ιώδιο είναι συνήθως −1, εκτός όταν είναι ενωμένα με οξυγόνο ή με ελαφρύτερο αλογόνο.

Ονομασία του οξειδωτικού και του αναγωγικού μέσου

Το οξειδωτικό μέσο δέχεται ηλεκτρόνια και προκαλεί την οξείδωση κάποιου άλλου, άρα το ίδιο ανάγεται. Το αναγωγικό μέσο δίνει ηλεκτρόνια και το ίδιο οξειδώνεται. Ονομάστε ολόκληρο το είδος και όχι ένα μεμονωμένο άτομο.

Θεωρήστε την 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). Ο σίδηρος ανεβαίνει από +2 σε +3, άρα το Fe²⁺ οξειδώνεται και είναι το αναγωγικό μέσο. Το οξυγόνο πέφτει από −1 στο υπεροξείδιο σε −2 στο νερό, άρα το H₂O₂ ανάγεται και είναι το οξειδωτικό μέσο. Το υδρογόνο παραμένει +1 σε όλη τη διαδικασία. Δύο ιόντα σιδήρου χάνουν καθένα ένα ηλεκτρόνιο και δύο άτομα οξυγόνου του υπεροξειδίου κερδίζουν καθένα ένα, άρα χάνονται δύο ηλεκτρόνια και κερδίζονται δύο.

Ένα είδος μπορεί να παίξει και τους δύο ρόλους. Στην Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O, ένα άτομο χλωρίου πηγαίνει από 0 σε −1 και το άλλο από 0 σε +1. Αυτό είναι δυσαναλογία και το Cl₂ είναι ταυτόχρονα οξειδωτικό και αναγωγικό μέσο.

Εξισορρόπηση με ημιαντιδράσεις σε όξινο διάλυμα

Ο διαχωρισμός της οξείδωσης από την αναγωγή σας επιτρέπει να εξισορροπήσετε κάθε μεταφορά ηλεκτρονίων χωριστά και έπειτα να συνδυάσετε τα μισά ώστε τα ηλεκτρόνια να απαλειφθούν. Το νερό προσφέρει άτομα οξυγόνου και το H⁺ προσφέρει άτομα υδρογόνου, επειδή αυτά είναι τα είδη που υπάρχουν πράγματι στο όξινο νερό.

Λυμένο παράδειγμα 1. Σε οξύ, το διχρωμικό οξειδώνει το νιτρώδες: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. Το χρώμιο πηγαίνει από +6 σε +3 και το άζωτο από +3 σε +5. Ημιαντίδραση οξείδωσης: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, με φορτίο −1 σε κάθε μέλος. Ημιαντίδραση αναγωγής: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, με φορτίο +6 σε κάθε μέλος. Τα έξι ηλεκτρόνια ταιριάζουν με δύο άτομα χρωμίου που αλλάζουν κατά τρεις μονάδες το καθένα.

Πολλαπλασιάστε την ημιαντίδραση οξείδωσης με 3 ώστε και οι δύο ημιαντιδράσεις να περιλαμβάνουν 6e⁻ και προσθέστε τες: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Απαλείψτε 6H⁺ και 3H₂O από κάθε μέλος: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. Έλεγχος: Cr 2 και 2· N 3 και 3· O 7 + 6 = 13 και 9 + 4 = 13· H 8 και 8· φορτίο −2 + 8 − 3 = +3 και +6 − 3 = +3.

• Χωρίστε τον σκελετό της εξίσωσης σε ημιαντίδραση οξείδωσης και ημιαντίδραση αναγωγής.
• Εξισορροπήστε κάθε στοιχείο εκτός από το O και το H.
• Εξισορροπήστε το O προσθέτοντας H₂O και μετά το H προσθέτοντας H⁺.
• Εξισορροπήστε το φορτίο προσθέτοντας ηλεκτρόνια στη θετικότερη πλευρά.
• Πολλαπλασιάστε τις ημιαντιδράσεις ώστε τα ηλεκτρόνια να ταιριάζουν, προσθέστε τες και απαλείψτε ό,τι υπάρχει και στα δύο μέλη.
• Ελέγξτε τα άτομα και το φορτίο και επιβεβαιώστε ότι δεν έχουν μείνει ηλεκτρόνια.

Προσαρμογή της μεθόδου για βασικό διάλυμα

Σε βασικό διάλυμα, το OH⁻ είναι άφθονο και η τελική εξίσωση δεν πρέπει να περιέχει H⁺. Εξισορροπήστε σαν το διάλυμα να ήταν όξινο και μετά προσθέστε αρκετό OH⁻ και στα δύο μέλη ώστε κάθε H⁺ να γίνει νερό. Η προσθήκη του ίδιου είδους και στα δύο μέλη διατηρεί την εξίσωση ισοσταθμισμένη.

Λυμένο παράδειγμα 2. Το υποχλωριώδες οξειδώνει το υδροξείδιο του χρωμίου(III) σε χρωμικό σε βασικό περιβάλλον: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. Το χρώμιο πηγαίνει από +3 σε +6 και το χλώριο από +1 σε −1. Ημιαντίδραση οξείδωσης: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Ημιαντίδραση αναγωγής: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Το ελάχιστο κοινό πολλαπλάσιο του 3 και του 2 είναι 6, άρα διπλασιάστε την πρώτη ημιαντίδραση και τριπλασιάστε τη δεύτερη.

Η πρόσθεση και η απαλοιφή δίνουν 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Προσθέστε 4OH⁻ και στα δύο μέλη· στο δεξί μέλος, 4H⁺ + 4OH⁻ γίνονται 4H₂O. Τελικά: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). Έλεγχος: Cr 2 και 2· Cl 3 και 3· O 6 + 3 + 4 = 13 και 8 + 5 = 13· H 6 + 4 = 10 και 10· φορτίο −7 σε κάθε μέλος.

Συνηθισμένα λάθη στη λογιστική της οξειδοαναγωγής

Τα περισσότερα λάθη οξειδοαναγωγής είναι λάθη λογιστικής και καθένα έχει συγκεκριμένο έλεγχο.

Ως τελική δοκιμή, επιβεβαιώστε μόνο με αριθμούς οξείδωσης ότι τα ηλεκτρόνια που χάνονται ισούνται με αυτά που κερδίζονται. Στο λυμένο παράδειγμα 2, δύο άτομα χρωμίου χάνουν καθένα 3 ηλεκτρόνια (6 συνολικά) και τρία άτομα χλωρίου κερδίζουν καθένα 2 (επίσης 6).

• Ονομασία ενός ατόμου ως μέσου: γράψτε ότι το Cr₂O₇²⁻ είναι το οξειδωτικό μέσο και όχι το χρώμιο.
• Καταμέτρηση της μεταβολής ανά άτομο αλλά όχι ανά τύπο: το Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ απαιτεί 6 ηλεκτρόνια και όχι 3.
• Τοποθέτηση των ηλεκτρονίων στη λάθος πλευρά: είναι προϊόντα στην ημιαντίδραση οξείδωσης και αντιδρώντα στην ημιαντίδραση αναγωγής. Αν ο έλεγχος φορτίου αποτύχει, κοίτα πρώτα εδώ.
• Εξισορρόπηση του οξυγόνου με O, O₂ ή O²⁻ αντί για H₂O. Ελεύθερα ιόντα οξειδίου δεν υπάρχουν στο νερό.
• Παραμονή H⁺ στην απάντηση για βασικό διάλυμα ή παράλειψη της απαλοιφής του νερού μετά την προσθήκη OH⁻.
• Υπόθεση ότι το οξυγόνο είναι πάντα −2: ελέγξτε για υπεροξείδια, σουπεροξείδια και δεσμούς O–F.
• Σύγχυση του συμβολισμού: ο αριθμός οξείδωσης γράφεται με το πρόσημο πρώτα (+3)· το φορτίο ενός ιόντος γράφεται με τον αριθμό πρώτα (3+).