מספרי חמצון, חומרים מחמצנים ומחזרים ואיזון בחצאי תגובות

מה מספר חמצון מתעד

מספר חמצון הוא המטען שהיה לאטום אילו כל קשר בין אטומים שונים היה יוני לחלוטין, כשהאלקטרונים המשותפים מוקצים לאטום האלקטרושלילי יותר; אלקטרונים המשותפים בין אטומים זהים מחולקים שווה בשווה. זו ספירה פורמלית, לא מטען שנמדד. במים, לחמצן מוקצה 2− ולכל מימן 1+, אף על פי שהמטענים החלקיים האמיתיים קטנים בהרבה.

חמצון הוא עלייה במספר החמצון, שמתאימה לאובדן אלקטרונים. חיזור הוא ירידה במספר החמצון, קבלת אלקטרונים. השניים מתרחשים תמיד יחד, כי אלקטרונים שמין אחד איבד חייבים להתקבל על ידי מין אחר. בכל משוואת חמצון-חיזור, סך העלייה במספר החמצון שווה לסך הירידה, וכל שיטת איזון נשענת על השוויון הזה.

קביעת מספרי חמצון לפי סדר עדיפות

החילו את הכללים מראש הרשימה כלפי מטה. כששני כללים סותרים, הגבוה יותר גובר, והאטום האחרון שאינו ידוע בנוסחה נמצא בהפרש.

עבור יון דו-מימן פוספט, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, ולכן P = +5. עבור יון טטרתיונט, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, ולכן ארבעת אטומי הגופרית מסתכמים ב-+10 והממוצע הוא +2.5. תוצאה שברית פירושה שאטומים של אותו יסוד נמצאים בסביבות שונות והמספר שמדווח הוא ממוצע. מגנטיט, Fe₃O₄, הוא בממוצע +8/3 כי הוא מכיל Fe²⁺ אחד על כל שני Fe³⁺.

• אטום ביסוד טהור הוא 0 (Fe, O₂, S₈).
• יון חד-אטומי שווה למטענו (Mg²⁺ הוא +2, Br⁻ הוא −1).
• מספרי החמצון בנוסחה מסתכמים במטען הכולל שלה.
• פלואור הוא −1 בכל תרכובותיו.
• מתכות קבוצה 1 הן +1 ומתכות קבוצה 2 הן +2 בתרכובות.
• מימן הוא +1 עם אל-מתכות ו-−1 בהידרידים של מתכות כמו NaH.
• חמצן הוא בדרך כלל −2, אבל −1 בפראוקסידים (H₂O₂), −½ בסופראוקסידים (KO₂) ו-+2 ב-OF₂.
• כלור, ברום ויוד הם בדרך כלל −1, חוץ מכשהם קשורים לחמצן או להלוגן קל יותר.

מתן שם לחומר המחמצן ולחומר המחזר

החומר המחמצן מקבל אלקטרונים וגורם למשהו אחר לעבור חמצון, ולכן הוא עצמו עובר חיזור. החומר המחזר תורם אלקטרונים ועצמו עובר חמצון. תנו שם למין כולו ולא לאטום בודד.

נבחן 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). ברזל עולה מ-+2 ל-+3, ולכן Fe²⁺ עובר חמצון והוא החומר המחזר. חמצן יורד מ-−1 בפראוקסיד ל-−2 במים, ולכן H₂O₂ עובר חיזור והוא החומר המחמצן. מימן נשאר +1 לאורך כל הדרך. שני יוני ברזל מאבדים כל אחד אלקטרון אחד ושני אטומי חמצן בפראוקסיד מקבלים כל אחד אחד, ולכן שני אלקטרונים אובדים ושניים מתקבלים.

מין אחד יכול למלא שני תפקידים. ב-Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O, אטום כלור אחד עובר מ-0 ל-−1 והאחר מ-0 ל-+1. זו דיספרופורציה, ו-Cl₂ הוא גם החומר המחמצן וגם החומר המחזר.

איזון בחצאי תגובות בתמיסה חומצית

הפרדה בין חמצון לחיזור מאפשרת לאזן כל העברת אלקטרונים בנפרד, ואז לשלב את החצאים כך שהאלקטרונים מצטמצמים. מים מספקים אטומי חמצן ו-H⁺ מספק אטומי מימן, כי אלה המינים שנמצאים בפועל במים חומציים.

דוגמה פתורה 1. בחומצה, דיכרומט מחמצן ניטריט: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. כרום עובר מ-+6 ל-+3 וחנקן מ-+3 ל-+5. חצי החמצון: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, עם מטען −1 בכל צד. חצי החיזור: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, עם מטען +6 בכל צד. ששת האלקטרונים תואמים שני אטומי כרום שמשתנים בשלוש יחידות כל אחד.

מכפילים את חצי החמצון ב-3 כך ששני החצאים כוללים 6e⁻, ואז מחברים: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. מצמצמים 6H⁺ ו-3H₂O מכל צד: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. בדיקה: Cr 2 ו-2; N 3 ו-3; O 7 + 6 = 13 ו-9 + 4 = 13; H 8 ו-8; מטען −2 + 8 − 3 = +3 ו-+6 − 3 = +3.

• פצלו את משוואת השלד לחצי חמצון ולחצי חיזור.
• אזנו כל יסוד פרט ל-O ו-H.
• אזנו את O על ידי הוספת H₂O, ואז אזנו את H על ידי הוספת H⁺.
• אזנו מטען על ידי הוספת אלקטרונים לצד החיובי יותר.
• הכפילו את החצאים כך שהאלקטרונים יתאימו, חברו אותם וצמצמו כל מה שמופיע בשני הצדדים.
• בדקו אטומים ומטען, וודאו שלא נותרו אלקטרונים.

התאמת השיטה לתמיסה בסיסית

בתמיסה בסיסית, OH⁻ שופע והמשוואה הסופית לא צריכה להכיל H⁺. אזנו כאילו התמיסה חומצית, ואז הוסיפו מספיק OH⁻ לשני הצדדים כדי להפוך כל H⁺ למים. הוספת אותו מין לשני הצדדים שומרת על האיזון.

דוגמה פתורה 2. היפוכלוריט מחמצן כרום(III) הידרוקסיד לכרומט בבסיס: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. כרום עובר מ-+3 ל-+6 וכלור מ-+1 ל-−1. חצי החמצון: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. חצי החיזור: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. הכפולה המשותפת הקטנה ביותר של 3 ו-2 היא 6, ולכן מכפילים את החצי הראשון פי שניים ואת השני פי שלושה.

חיבור וצמצום נותנים 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. מוסיפים 4OH⁻ לשני הצדדים; בצד ימין, 4H⁺ + 4OH⁻ הופך ל-4H₂O. סופי: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). בדיקה: Cr 2 ו-2; Cl 3 ו-3; O 6 + 3 + 4 = 13 ו-8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 ו-10; מטען −7 בכל צד.

טעויות נפוצות בחשבונאות של חמצון-חיזור

רוב שגיאות החמצון-חיזור הן שגיאות חשבונאות, ולכל אחת יש בדיקה ספציפית.

כמבחן אחרון, וודאו עם מספרי חמצון בלבד שהאלקטרונים שאבדו שווים לאלקטרונים שהתקבלו. בדוגמה הפתורה 2, שני אטומי כרום מאבדים כל אחד 3 אלקטרונים (6 בסך הכול) ושלושה אטומי כלור מקבלים כל אחד 2 (גם כן 6).

• מתן שם לאטום כחומר: כתבו ש-Cr₂O₇²⁻ הוא החומר המחמצן, לא כרום.
• ספירת השינוי לכל אטום ולא לכל נוסחה: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ דורש 6 אלקטרונים, לא 3.
• הצבת אלקטרונים בצד הלא נכון: הם תוצרים בחצי חמצון ומגיבים בחצי חיזור. אם בדיקת המטען נכשלת, חפשו קודם כאן.
• איזון חמצן באמצעות O, O₂ או O²⁻ במקום H₂O. יוני אוקסיד חופשיים אינם קיימים במים.
• השארת H⁺ בתשובה לתמיסה בסיסית, או שכחה לצמצם מים אחרי הוספת OH⁻.
• הנחה שחמצן הוא תמיד −2: בדקו פראוקסידים, סופראוקסידים וקשרי O–F.
• ערבוב סימונים: מספר חמצון נכתב עם הסימן קודם (+3); מטען יון נכתב עם המספר קודם (3+).