Hapetusluvut, redox-aineet ja osareaktioilla tasapainottaminen

Mitä hapetusluku kirjaa

Hapetusluku on varaus, jonka atomilla olisi, jos jokainen eri atomien välinen sidos olisi täysin ioninen ja jaetut elektronit annettaisiin elektronegatiivisemmalle atomille; samanlaisten atomien jakamat elektronit jaetaan tasan. Se on muodollinen laskentatapa, ei mitattu varaus. Vedessä hapen hapetusluvuksi annetaan −2 ja jokaisen vedyn +1, vaikka todelliset osittaisvaraukset ovat paljon pienempiä.

Hapettuminen on hapetusluvun kasvu, mikä vastaa elektronien menetystä. Pelkistyminen on hapetusluvun pieneneminen, elektronien saaminen. Nämä kaksi tapahtuvat aina yhdessä, koska yhden lajin menettämät elektronit täytyy jonkin toisen lajin vastaanottaa. Jokaisessa redox-yhtälössä hapetusluvun kokonaiskasvu on yhtä suuri kuin kokonaisvähennys, ja jokainen tasapainotusmenetelmä perustuu tähän yhtäsuuruuteen.

Hapetuslukujen määrittäminen tärkeysjärjestyksessä

Sovella sääntöjä luettelon alusta alaspäin. Kun kaksi sääntöä on ristiriidassa, ylempi voittaa, ja kaavan viimeinen tuntematon atomi selvitetään erotuksena.

Divetyfosfaatti-ionille, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, joten P = +5. Tetrationaatti-ionille, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, joten neljän rikkiatomin summa on +10 ja keskiarvo +2.5. Murtolukutulos tarkoittaa, että saman alkuaineen atomit ovat eri ympäristöissä ja ilmoitettu luku on keskiarvo. Magnetiitin, Fe₃O₄, keskiarvo on +8/3, koska se sisältää yhden Fe²⁺:n jokaista kahta Fe³⁺:aa kohti.

• Puhtaan alkuaineen atomin hapetusluku on 0 (Fe, O₂, S₈).
• Yksiatomisen ionin hapetusluku on sen varaus (Mg²⁺ on +2, Br⁻ on −1).
• Kaavan hapetusluvut summautuvat sen kokonaisvaraukseksi.
• Fluorin hapetusluku on −1 kaikissa sen yhdisteissä.
• Ryhmän 1 metallien hapetusluku on +1 ja ryhmän 2 metallien +2 yhdisteissä.
• Vedyn hapetusluku on +1 epämetallien kanssa ja −1 metallihydrideissä, kuten NaH:ssa.
• Hapen hapetusluku on yleensä −2, mutta −1 peroksideissa (H₂O₂), −½ superoksideissa (KO₂) ja +2 yhdisteessä OF₂.
• Kloorin, bromin ja jodin hapetusluku on yleensä −1, paitsi kun ne ovat sitoutuneet happeen tai kevyempään halogeeniin.

Hapettimen ja pelkistimen nimeäminen

Hapetin vastaanottaa elektroneja ja saa jonkin muun hapettumaan, joten se itse pelkistyy. Pelkistin luovuttaa elektroneja ja hapettuu itse. Nimeä koko laji äläkä yksittäistä atomia.

Tarkastellaan reaktiota 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). Raudan hapetusluku nousee +2:sta +3:een, joten Fe²⁺ hapettuu ja on pelkistin. Hapen hapetusluku laskee peroksidin −1:stä veden −2:een, joten H₂O₂ pelkistyy ja on hapetin. Vedyn hapetusluku pysyy koko ajan +1:nä. Kaksi rautaionia luovuttaa kumpikin yhden elektronin ja kaksi peroksidin happiatomia vastaanottaa kumpikin yhden, joten kaksi elektronia luovutetaan ja kaksi vastaanotetaan.

Yksi laji voi toimia molemmissa rooleissa. Reaktiossa Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O yhden klooriatomin hapetusluku muuttuu 0:sta −1:een ja toisen 0:sta +1:een. Tämä on disproportioituminen, ja Cl₂ on sekä hapetin että pelkistin.

Osareaktioilla tasapainottaminen happamassa liuoksessa

Kun hapettuminen ja pelkistyminen erotetaan, kunkin elektroninsiirron voi tasapainottaa erikseen ja yhdistää sitten puoliskot niin, että elektronit supistuvat pois. Vesi tuo happiatomit ja H⁺ vetyatomit, koska nämä ovat happamassa vedessä todella läsnä olevat lajit.

Läpikäyty esimerkki 1. Hapossa dikromaatti hapettaa nitriitin: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. Kromin hapetusluku muuttuu +6:sta +3:een ja typen +3:sta +5:een. Hapettumispuolisko: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, varaus −1 kummallakin puolella. Pelkistymispuolisko: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, varaus +6 kummallakin puolella. Kuusi elektronia vastaa kahta kromiatomia, joiden kunkin hapetusluku muuttuu kolme yksikköä.

Kerro hapettumispuolisko kolmella, jotta molemmissa puoliskoissa on 6e⁻, ja laske sitten yhteen: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Supista 6H⁺ ja 3H₂O kummaltakin puolelta: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. Tarkistus: Cr 2 ja 2; N 3 ja 3; O 7 + 6 = 13 ja 9 + 4 = 13; H 8 ja 8; varaus −2 + 8 − 3 = +3 ja +6 − 3 = +3.

• Jaa runkoyhtälö hapettumispuoliskoon ja pelkistymispuoliskoon.
• Tasapainota kaikki alkuaineet paitsi O ja H.
• Tasapainota O lisäämällä H₂O ja tasapainota sitten H lisäämällä H⁺.
• Tasapainota varaus lisäämällä elektroneja positiivisemmalle puolelle.
• Skaalaa puoliskot niin, että elektronit täsmäävät, laske ne yhteen ja supista kaikki, mitä on molemmilla puolilla.
• Tarkista atomit ja varaus ja varmista, ettei elektroneja jää jäljelle.

Menetelmän muuntaminen emäksiselle liuokselle

Emäksisessä liuoksessa OH⁻:a on runsaasti, eikä lopullisessa yhtälössä pitäisi olla H⁺:a. Tasapainota ikään kuin liuos olisi hapan ja lisää sitten kummallekin puolelle niin paljon OH⁻:a, että jokainen H⁺ muuttuu vedeksi. Saman lajin lisääminen molemmille puolille pitää yhtälön tasapainossa.

Läpikäyty esimerkki 2. Hypokloriitti hapettaa kromi(III)hydroksidin kromaatiksi emäksessä: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. Kromin hapetusluku muuttuu +3:sta +6:een ja kloorin +1:stä −1:een. Hapettumispuolisko: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Pelkistymispuolisko: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Lukujen 3 ja 2 pienin yhteinen monikerta on 6, joten kerro ensimmäinen puolisko kahdella ja toinen kolmella.

Yhteenlasku ja supistus antavat 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Lisää 4OH⁻ kummallekin puolelle; oikealla 4H⁺ + 4OH⁻ muuttuu 4H₂O:ksi. Lopputulos: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). Tarkistus: Cr 2 ja 2; Cl 3 ja 3; O 6 + 3 + 4 = 13 ja 8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 ja 10; varaus −7 kummallakin puolella.

Yleiset virheet redox-kirjanpidossa

Useimmat redox-virheet ovat kirjanpitovirheitä, ja jokaiselle on oma tarkistuksensa.

Varmista lopuksi pelkkien hapetuslukujen avulla, että menetetyt elektronit vastaavat saatuja. Läpikäydyssä esimerkissä 2 kaksi kromiatomia menettää kumpikin 3 elektronia (yhteensä 6) ja kolme klooriatomia saa kumpikin 2 (myös 6).

• Atomin nimeäminen aineeksi: kirjoita, että Cr₂O₇²⁻ on hapetin, ei kromi.
• Muutoksen laskeminen atomia kohti mutta ei kaavaa kohti: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ vaatii 6 elektronia, ei 3.
• Elektronien sijoittaminen väärälle puolelle: ne ovat tuotteita hapettumispuoliskossa ja lähtöaineita pelkistymispuoliskossa. Jos varaustarkistus epäonnistuu, katso ensin tätä.
• Hapen tasapainottaminen merkinnöillä O, O₂ tai O²⁻ H₂O:n sijaan. Vapaita oksidi-ioneja ei ole vedessä.
• H⁺:n jättäminen emäksisen liuoksen vastaukseen tai veden supistamisen unohtaminen OH⁻:n lisäämisen jälkeen.
• Olettaminen, että happi on aina −2: tarkista peroksidit, superoksidit ja O–F-sidokset.
• Merkintätapojen sekoittaminen: hapetusluku kirjoitetaan etumerkki edellä (+3); ionin varaus kirjoitetaan luku edellä (3+).