Оксидациони бројеви, редокс средства и уравнотежавање полуреакцијама

Шта оксидациони број бележи

Оксидациони број је наелектрисање које би атом носио када би свака веза између различитих атома била потпуно јонска, при чему се дељени електрони приписују електронегативнијем атому; електрони које деле идентични атоми деле се подједнако. То је формално бројање, а не измерено наелектрисање. У води се кисеонику приписује −2, а сваком водонику +1, иако су стварна парцијална наелектрисања много мања.

Оксидација је пораст оксидационог броја, што одговара губитку електрона. Редукција је смањење оксидационог броја, добитак електрона. Оне се увек одвијају заједно, јер електрони које једна врста изгуби мора да прими друга. У свакој редокс једначини укупни пораст оксидационог броја једнак је укупном паду, и сваки метод уравнотежавања почива на тој једнакости.

Одређивање оксидационих бројева по редоследу приоритета

Примењујте правила од врха списка надоле. Када се два правила сукобе, виши добија предност, а последњи непознати атом у формули налази се разликом.

За дихидрогенфосфатни јон, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, па је P = +5. За тетратионатни јон, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, па четири атома сумпора заједно дају +10, а просек је +2.5. Разломљен резултат значи да су атоми истог елемента у различитом окружењу и да је наведени број просек. Магнетит, Fe₃O₄, има просек +8/3 јер садржи један Fe²⁺ на свака два Fe³⁺.

• Атом у чистом елементу је 0 (Fe, O₂, S₈).
• Једноатомни јон једнак је свом наелектрисању (Mg²⁺ је +2, Br⁻ је −1).
• Оксидациони бројеви у формули дају збир једнак њеном укупном наелектрисању.
• Флуор је −1 у свим својим једињењима.
• Метали 1. групе су +1, а метали 2. групе +2 у једињењима.
• Водоник је +1 са неметалима и −1 у хидридима метала као што је NaH.
• Кисеоник је обично −2, али −1 у пероксидима (H₂O₂), −½ у супероксидима (KO₂) и +2 у OF₂.
• Хлор, бром и јод су обично −1, осим када су везани за кисеоник или за лакши халоген.

Именовање оксидационог и редукционог средства

Оксидационо средство прима електроне и изазива оксидацију нечега другог, па се и само редукује. Редукционо средство даје електроне и само се оксидује. Именујте целу врсту, а не један атом.

Размотрите 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). Гвожђе расте са +2 на +3, па се Fe²⁺ оксидује и редукционо је средство. Кисеоник пада са −1 у пероксиду на −2 у води, па се H₂O₂ редукује и оксидационо је средство. Водоник остаје +1 све време. Два јона гвожђа губе по један електрон, а два атома кисеоника из пероксида примају по један, па се два електрона губе и два примају.

Једна врста може имати обе улоге. У Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O један атом хлора прелази са 0 на −1, а други са 0 на +1. То је диспропорционисање, а Cl₂ је и оксидационо и редукционо средство.

Уравнотежавање полуреакцијама у киселој средини

Раздвајање оксидације од редукције омогућава да сваки пренос електрона уравнотежите посебно, а затим спојите половине тако да се електрони скрате. Вода даје атоме кисеоника, а H⁺ даје атоме водоника јер су то врсте које су заиста присутне у киселој води.

Решени пример 1. У киселини, дихромат оксидује нитрит: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. Хром прелази са +6 на +3, а азот са +3 на +5. Оксидациона половина: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, са наелектрисањем −1 на свакој страни. Редукциона половина: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, са наелектрисањем +6 на свакој страни. Шест електрона одговара два атома хрома који се мењају за по три јединице.

Оксидациону половину помножите са 3 да обе половине укључују 6e⁻, а затим саберите: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Скратите 6H⁺ и 3H₂O са сваке стране: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. Провера: Cr 2 и 2; N 3 и 3; O 7 + 6 = 13 и 9 + 4 = 13; H 8 и 8; наелектрисање −2 + 8 − 3 = +3 и +6 − 3 = +3.

• Поделите скелетну једначину на оксидациону и редукциону половину.
• Уравнотежите сваки елемент осим O и H.
• Уравнотежите O додавањем H₂O, а затим уравнотежите H додавањем H⁺.
• Уравнотежите наелектрисање додавањем електрона на позитивнију страну.
• Помножите половине тако да се електрони поклопе, саберите их и скратите све што је на обе стране.
• Проверите атоме и наелектрисање и потврдите да нису остали електрони.

Прилагођавање метода базној средини

У базној средини OH⁻ је обилан и коначна једначина не треба да садржи H⁺. Уравнотежите као да је раствор кисео, а затим додајте довољно OH⁻ на обе стране да се сваки H⁺ претвори у воду. Додавање исте врсте на обе стране одржава једначину уравнотеженом.

Решени пример 2. Хипохлорит оксидује хром(III)-хидроксид у хромат у бази: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. Хром прелази са +3 на +6, а хлор са +1 на −1. Оксидациона половина: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Редукциона половина: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Најмањи заједнички садржалац за 3 и 2 је 6, па удвостручите прву половину, а утростручите другу.

Сабирањем и скраћивањем добија се 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Додајте 4OH⁻ на обе стране; на десној страни 4H⁺ + 4OH⁻ постаје 4H₂O. Коначно: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). Провера: Cr 2 и 2; Cl 3 и 3; O 6 + 3 + 4 = 13 и 8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 и 10; наелектрисање −7 на свакој страни.

Уобичајене грешке у евиденцији редокса

Већина редокс грешака су грешке у евиденцији, и свака има посебну проверу.

Као завршни тест, само помоћу оксидационих бројева потврдите да су изгубљени електрони једнаки примљеним. У решеном примеру 2, два атома хрома губе по 3 електрона (укупно 6), а три атома хлора примају по 2 (такође 6).

• Именовање атома као средства: напишите да је Cr₂O₇²⁻ оксидационо средство, а не хром.
• Бројање промене по атому, а не по формули: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ захтева 6 електрона, а не 3.
• Стављање електрона на погрешну страну: они су производи у оксидационој половини, а реактанти у редукционој. Ако провера наелектрисања не успе, прво погледајте овде.
• Уравнотежавање кисеоника помоћу O, O₂ или O²⁻ уместо H₂O. Слободни оксидни јони не постоје у води.
• Остављање H⁺ у одговору за базну средину, или заборављање да се вода скрати после додавања OH⁻.
• Претпоставка да је кисеоник увек −2: проверите пероксиде, супероксиде и везе O–F.
• Мешање ознака: оксидациони број пише се прво са знаком (+3); наелектрисање јона пише се прво са бројем (3+).