Oxidačné čísla, redoxné činidlá a vyčíslovanie pomocou polreakcií

Čo oxidačné číslo zaznamenáva

Oxidačné číslo je náboj, ktorý by atóm niesol, keby každá väzba medzi rôznymi atómami bola úplne iónová a zdieľané elektróny by sa pridelili elektronegatívnejšiemu atómu; elektróny zdieľané medzi rovnakými atómami sa delia rovným dielom. Je to formálny počet, nie nameraný náboj. Vo vode sa kyslíku prideľuje −2 a každému vodíku +1, hoci skutočné čiastkové náboje sú oveľa menšie.

Oxidácia je zvýšenie oxidačného čísla, čo zodpovedá strate elektrónov. Redukcia je zníženie oxidačného čísla, získanie elektrónov. Obe vždy prebiehajú spolu, pretože elektróny, ktoré stratí jedna častica, musí získať iná. V každej redoxnej rovnici sa celkové zvýšenie oxidačného čísla rovná celkovému zníženiu a na tejto rovnosti stojí každá metóda vyčíslovania.

Určovanie oxidačných čísel v poradí podľa priority

Pravidlá uplatňujte zhora nadol. Keď sú dve pravidlá v rozpore, vyhráva vyššie a posledný neznámy atóm vo vzorci sa nájde rozdielom.

Pre dihydrogenfosforečnanový ión, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, takže P = +5. Pre tetrationanový ión, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, takže štyri atómy síry dávajú spolu +10 a priemer je +2.5. Zlomkový výsledok znamená, že atómy toho istého prvku sú v rôznych prostrediach a uvedené číslo je priemer. Magnetit, Fe₃O₄, má priemer +8/3, pretože obsahuje jeden Fe²⁺ na každé dva Fe³⁺.

• Atóm v čistom prvku je 0 (Fe, O₂, S₈).
• Jednoatómový ión sa rovná svojmu náboju (Mg²⁺ je +2, Br⁻ je −1).
• Oxidačné čísla vo vzorci dávajú v súčte jeho celkový náboj.
• Fluór je −1 vo všetkých svojich zlúčeninách.
• Kovy 1. skupiny majú v zlúčeninách +1 a kovy 2. skupiny +2.
• Vodík je +1 s nekovmi a −1 v hydridoch kovov, ako NaH.
• Kyslík je zvyčajne −2, ale −1 v peroxidoch (H₂O₂), −½ v superoxidoch (KO₂) a +2 v OF₂.
• Chlór, bróm a jód sú zvyčajne −1, okrem prípadov, keď sú viazané na kyslík alebo na ľahší halogén.

Pomenovanie oxidovadla a redukovadla

Oxidovadlo prijíma elektróny a spôsobuje oxidáciu niečoho iného, takže samo sa redukuje. Redukovadlo elektróny odovzdáva a samo sa oxiduje. Pomenujte celú časticu, nie jednotlivý atóm.

Uvažujme 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). Železo stúpa z +2 na +3, takže Fe²⁺ sa oxiduje a je redukovadlom. Kyslík klesá z −1 v peroxide na −2 vo vode, takže H₂O₂ sa redukuje a je oxidovadlom. Vodík ostáva po celý čas +1. Dva ióny železa stratia po jednom elektróne a dva atómy kyslíka z peroxidu získajú po jednom, takže sa stratia dva elektróny a dva sa získajú.

Jedna častica môže plniť obe úlohy. V Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O prechádza jeden atóm chlóru z 0 na −1 a druhý z 0 na +1. Ide o disproporcionáciu a Cl₂ je zároveň oxidovadlom aj redukovadlom.

Vyčíslovanie pomocou polreakcií v kyslom prostredí

Oddelenie oxidácie od redukcie umožňuje vyčísliť každý prenos elektrónov osobitne a potom polovice spojiť tak, aby sa elektróny vykrátili. Voda dodáva atómy kyslíka a H⁺ atómy vodíka, pretože to sú častice, ktoré sa v kyslej vode skutočne nachádzajú.

Riešený príklad 1. V kyslom prostredí dichróman oxiduje dusitan: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. Chróm prechádza z +6 na +3 a dusík z +3 na +5. Oxidačná polovica: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, s nábojom −1 na každej strane. Redukčná polovica: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, s nábojom +6 na každej strane. Šesť elektrónov zodpovedá dvom atómom chrómu, z ktorých každý sa mení o tri jednotky.

Oxidačnú polovicu vynásobte 3, aby obe polovice zahŕňali 6e⁻, a potom sčítajte: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Vykráťte 6H⁺ a 3H₂O z každej strany: 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.

• Rozdeľte kostrovú rovnicu na oxidačnú a redukčnú polovicu.
• Vyčíslite každý prvok okrem O a H.
• Vyčíslite O pridaním H₂O, potom vyčíslite H pridaním H⁺.
• Vyčíslite náboj pridaním elektrónov na pozitívnejšiu stranu.
• Prenásobte polovice tak, aby sa elektróny zhodovali, sčítajte ich a vykráťte všetko, čo je na oboch stranách.
• Skontrolujte atómy a náboj a overte, že nezostali žiadne elektróny.

Úprava metódy pre zásadité prostredie

V zásaditom roztoku je OH⁻ hojný a výsledná rovnica nemá obsahovať H⁺. Vyčíslite, ako keby bol roztok kyslý, a potom pridajte na obe strany dosť OH⁻, aby sa každé H⁺ zmenilo na vodu. Pridanie tej istej častice na obe strany rovnicu ponecháva vyčíslenú.

Riešený príklad 2. Chlórnan oxiduje hydroxid chromitý na chróman v zásaditom prostredí: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. Chróm prechádza z +3 na +6 a chlór z +1 na −1. Oxidačná polovica: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Redukčná polovica: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Najmenší spoločný násobok čísel 3 a 2 je 6, preto prvú polovicu zdvojnásobte a druhú strojnásobte.

Sčítaním a vykrátením dostaneme 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Pridajte 4OH⁻ na obe strany; vpravo sa 4H⁺ + 4OH⁻ zmení na 4H₂O. Výsledok: 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 každej strane.

Časté chyby pri redoxnom účtovaní

Väčšina redoxných chýb sú chyby v účtovaní a ku každej patrí konkrétna kontrola.

Ako záverečný test potvrďte iba pomocou oxidačných čísel, že stratené elektróny sa rovnajú získaným. V riešenom príklade 2 dva atómy chrómu stratia po 3 elektróny (spolu 6) a tri atómy chlóru získajú po 2 (tiež 6).

• Pomenovanie atómu ako činidla: napíšte, že oxidovadlom je Cr₂O₇²⁻, nie chróm.
• Počítanie zmeny na atóm, ale nie na vzorec: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ potrebuje 6 elektrónov, nie 3.
• Elektróny na nesprávnej strane: sú produktmi v oxidačnej polovici a reaktantmi v redukčnej polovici. Ak kontrola náboja zlyhá, pozrite sa najprv sem.
• Vyčíslovanie kyslíka pomocou O, O₂ alebo O²⁻ namiesto H₂O. Voľné oxidové ióny vo vode neexistujú.
• Ponechanie H⁺ vo výsledku pre zásadité prostredie, alebo zabudnutie vykrátiť vodu po pridaní OH⁻.
• Predpoklad, že kyslík je vždy −2: skontrolujte peroxidy, superoxidy a väzby O–F.
• Miešanie zápisu: oxidačné číslo sa píše najprv so znamienkom (+3); náboj iónu najprv s číslom (3+).