Fő tartalom

Kémia

Tantárgy/kurzus: Kémia > 2. témakör

5. lecke: A kémiai reakciók típusai

Redoxiegyenletek rendezése

Bevezetés

Az oxidációs-redukciós reakciók avagy redoxireakciók olyan reakciók, melyekben elektronátmenet történik különböző kémiai részecskék között (olvasd el ezt a tananyagot a redoxireakciókról, ha szükséged van egy kis emlékeztetőre). A redoxireakciók egyenleteiben a tömeget és a töltést is ki kell egyenlíteni, ezért az egyenletrendezés kicsit nehezebb lehet. Ebben a cikkben megtanuljuk a félreakciókkal történő rendezés módszerét, ami sokat segíthet a vizes oldatokban lezajló reakciók egyenletének rendezésében.

Redoxireakciók rendezése félreakciók segítségével

A félreakciókkal történő rendezéshez az egyenletet először felosztjuk két félreakcióra: az egyik az oxidáció, a másik a redukció. Ezután a félreakciók egyenleteit rendezzük tömeg és töltés szerint, majd ha kell, egyenlővé tesszük a kettőben a résztvevő elektronok számát. Végül a félreakciók egyenleteit összeadjuk, ezzel kapjuk meg a reakció teljes (bruttó) rendezett egyenletét.

Nézzük meg egy egyszerű redoxireakció példáján, hogyan is működik ez a módszer. Vizsgáljuk meg például a

Co^{3 +}

ion és a fémnikkel reakcióját:

Co^{3 +} (a q) + Ni (s) \to Co^{2 +} (a q) + Ni^{2 +} (a q)

Rendezve van-e ez az egyenlet? A tömeg szempontjából láthatóan igen, mivel az egyenlet mindkét oldalán egy

Co

-atom és egy

Ni

-atom található. Ellenben nincs rendezve a töltés szempontjából: a bal oldalon az össztöltés

3 +

, míg a jobb oldalon

4 +

. A töltések rendezését a félreakciók módszerével fogjuk elvégezni.

Először válasszuk szét az egyenletet külön oxidációs, illetve redukciós félreakciókra:

Oxidációs félreakció: az oxidációs félreakció az oxidációs lépésben részt vevő kiindulási anyagokat és termékeket mutatja. Mivel a

Ni

oxidálódik

Ni^{2 +}

-ionná, kezdhetjük azzal, hogy felírjuk ezt a lépést:

Oxidáció: Ni (s) \to Ni^{2 +} (a q)

Ez azonban nem a teljes oxidációs félreakció! Ahogy a bruttó egyenlet, ez a félreakció is csak tömegre van rendezve, töltésre nincs. Rendezhetjük a töltéseket is azzal, ha az egyenlet jobb oldalához hozzáadunk két elektront. Így a töltések összege az egyenlet mindkét oldalán

0

lesz.

Oxidation: Ni (s) \to Ni^{2 +} (a q) + 2 e^{-}

Most, hogy az oxidációs félreakciót rendeztük, ez elárulja nekünk, hogy minden nikkelatom oxidálásakor két elektron keletkezik. De hova mennek ezek az elektronok? Követhetjük az útjukat a redukciós félreakcióig.

Redukciós félreakció: a redukciós félreakció a redukciós lépésben résztvevő kiindulási anyagokat és termékeket tartalmazza. Jelen esetben az egyenlettel a

Co^{3 +}

Co^{2 +}

-vé történő redukálódását kell leírnunk. A töltésegyensúly miatt az egyenlet bal oldalán egy elektronnak is kell lennie.

Redukció: Co^{3 +} (a q) + e^{-} \to Co^{2 +} (a q)

A redukciós félreakció rendezett egyenlete elárulja, hogy minden

Co^{3 +}

-ion redukálásához egy elektronra van szükség. Fontos tudnunk, hogy ez az elektron az oxidációs félreakcióból származik.

A következő lépésben össze kell adnunk a rendezett félreakciókat, hogy megkapjuk a rendezett bruttó egyenletet. Először azonban meg kell arról bizonyosodnunk, hogy az elektronok kiesnek, amikor a félreakciókat összeadjuk (nem úszkálhatnak kóbor elektronok az oldatban). Most az oxidációs félreakció két elektron átmenetét tartalmazza, míg a redukciós félreakció csak egy elektronét. Ezért a redukciós félreakció egyenletét meg kell szoroznunk

2

-vel.

\begin{aligned} 2 [Co^{3 +} (a q) + e^{-} \to Co^{2 +} (a q)] \\ 2 Co^{3 +} (a q) + 2 e^{-} \to 2 Co^{2 +} (a q) \end{aligned}

Most már összeadhatjuk a két félreakciót, mivel az elektronokkal egyszerűsíthetünk:

\begin{aligned} Ni (s z) \to Ni^{2 +} (a q) + 2 e^{-} \\ 2 Co^{3 +} (a q) + 2 e^{-} \to 2 Co^{2 +} (a q) \\ \overset{―}{} \\ Ni (s) + 2 Co^{3 +} (a q) \to Ni^{2 +} (a q) + 2 Co^{2 +} (a q) \end{aligned}

Az így kapott egyenlet mindkét oldalán ugyanannyi van mindkét atomból (

1

Ni

és

2

Co

), továbbá az össztöltés is megegyezik mindkét oldalon (

6 +

). Ez együttvéve azt is jelenti, hogy tömeg és töltés szempontjából is rendezve van az egyenlet!

Redoxiegyenletek rendezése savas vagy lúgos oldatban

Az előbb a félreakciók módszerével rendeztünk egy egyszerű redoxiegyenletet. Sok vizes oldatban lejátszódó redoxireakció azonban bonyolultabb a fenti példánál. Előfordul, hogy hozzá kell adnunk

H_{2} O

-molekulákat és

H^{+}

-ionokat (savas oldatban lejátszódó reakciók esetén) vagy

OH^{-}

-ionokat (lúgos oldatban lejátszódó reakciók esetén), hogy kielégítő módon rendezhessük az egyenletet. Az első példa ezt mutatja meg savas oldatban lejátszódó reakció esetén, a második pedig egy lúgos oldatban lejátszódó reakció esetén.

1. példa: Savas oldatban lejátszódó redoxireakció egyenletének rendezése

Rendezzük a réz és a nitrátion savas oldatban lejátszódó reakciójának egyenletét!

Cu (s) + NO_{3}^{-} (a q) \to Cu^{2 +} (a q) + NO_{2} (g)

Alkalmazzuk a félreakciók imént megtanult módszerét! Mivel savas az oldat,

H^{+}

-ionokat és

H_{2} O

-molekulákat is alkalmazhatunk a rendezés érdekében.

1. lépés: osszuk ketté az egyenletet félreakciókra

Kezdjük azzal, hogy a rendezetlen egyenletet két félreakcióra osztjuk:

\begin{aligned} Oxidáció: Cu (s) \to Cu^{2 +} (a q) \\ Redukció: NO_{3}^{-} (a q) \to NO_{2} (g) \end{aligned}

Figyeljünk rá, hogy egyik félreakció sincs még rendezve! Ezt a következő lépésben fogjuk megtenni.

2. lépés: rendezzük mindkét félreakciót tömeg és töltés szerint

Az oxidációs félreakció tömegre már rendezve van, csak a töltéssel kell foglalkoznunk. Ha az egyenlet jobb oldalához adunk két elektront, az össztöltés mindkét oldalon

0

lesz:

Oxidáció: Cu (s) \to Cu^{2 +} (a q) + 2 e^{-}

Nézzük, mi a helyzet a redukciós félreakcióval! Ebben az atomok és a töltések száma is különbözik a két oldalon. Először rendezzük atomszám szerint: láthatjuk, hogy a

N

-atomok már rendezve vannak (az egyenlet mindkét oldalán egy van). Viszont az

O

-atomok még nincsenek rendezve. Az

O

-atomokat úgy rendezhetjük, hogy hozzáadunk egy

H_{2} O

-molekulát az egyenlet jobb oldalához:

NO_{3}^{-} (a q) \to NO_{2} (g) + H_{2} O (l)

Így viszont megjelent két többlet

H

-atom az egyenlet jobb oldalán. Mivel a reakció savas oldatban történik, a rendezéshez két

H^{+}

-iont adhatunk a bal oldalhoz:

NO_{3}^{-} (a q) + 2 H^{+} (a q) \to NO_{2} (g) + H_{2} O (l)

Most rendezzük az egyenletet töltés szerint is! Ehhez egy elektront kell beírnunk az egyenlet bal oldalára, így az össztöltés mindkét oldalon

0

lesz.

Redukció: NO_{3}^{-} (a q) + 2 H^{+} (a q) + e^{-} \to NO_{2} (g) + H_{2} O (l)

3. lépés: rendezzük az egyenletet az átadott elektronok számára nézve

Mivel az oxidációs félreakcióban két elektron távozik, a redukciósban pedig csak egy elektron felvétele történik meg, a redukciós félreakció egyenletét meg kell szoroznunk

2

-vel.

\begin{aligned} 2 [NO_{3}^{-} (a q) + 2 H^{+} (a q) + e^{-} \to NO_{2} (g) + H_{2} O (l) \\ 2 NO_{3}^{-} (a q) + 4 H^{+} (a q) + 2 e^{-} \to 2 NO_{2} (g) + 2 H_{2} O (l) \end{aligned}

4. lépés: adjuk össze a félreakciókat

A két félreakció összeadásával, az elektronok egyszerűsítésével a következőt kapjuk:

\begin{aligned} Cu (s) \to Cu^{2 +} (a q) + 2 e^{-} \\ 2 NO_{3}^{-} (a q) + 4 H^{+} (a q) + 2 e^{-} \to 2 NO_{2} (g) + 2 H_{2} O (l) \\ \overset{―}{} \\ Cu (s) + 2 NO_{3}^{-} (a q) + 4 H^{+} (a q) \to Cu^{2 +} (a q) + 2 NO_{2} (g) + 2 H_{2} O (l) \end{aligned}

Ezzel készen is vagyunk! Ellenőrizve megállapíthatjuk, hogy minden atomból ugyanannyi van az egyenlet mindkét oldalán (

1

Cu

2

N

6

O

, and

4

H

) valamint az össztöltés is azonos a két oldalon (

2 +

), tehát az egyenlet rendezve van!

2. példa: Lúgos oldatban lejátszódó redoxireakció egyenletének rendezése

Rendezzük a permanganát- és a jodidion lúgos oldatban lejátszódó reakciójának egyenletét!

MnO_{4}^{-} (a q) + I^{-} (a q) \to MnO_{2} (s) + I_{2} (a q)

Rendezzük ezt az egyenletet is a félreakciók módszerével! Most csak

OH^{-}

-ionokat és

H_{2} O

-molekulákat használhatunk az egyenletrendezésben, mivel a reakció lúgos oldatban játszódik le.

1. lépés: osszuk ketté az egyenletet félreakciókra

Ebben a reakcióban a jodidion oxidálódik és a permanganátion redukálódik.

\begin{aligned} Oxidáció: I^{-} (a q) \to I_{2} (a q) \\ Redukci ó : MnO_{4}^{-} (a q) \to MnO_{2} (s) \end{aligned}

2. lépés: rendezzük mindkét félreakciót tömeg és töltés szerint

Kezdjük az oxidációs félreakcióval. Ezt mind atomszám, mind töltésszám szerint rendezni kell. Először írjunk egy

2

-es együtthatót a

I^{-}

elé, hogy atomszám szerint rendezve legyen az egyenlet:

2 I^{-} (a q) \to I_{2} (a q)

Ezt követően adjunk két elektront az egyenlet jobb oldalához, hogy a töltésszám is rendezve legyen:

Oxidáció: 2 I^{-} (a q) \to I_{2} (a q) + 2 e^{-}

Következzen a redukciós félreakció, melyet szintén rendezni kell mind atomszám, mind töltésszám szerint. Kezdjük az atomszámokkal: mivel az egyenlet mindkét oldalán egy-egy

Mn

-atom van, csak az

O

-atomokkal van dolgunk. Elkezdhetnénk próbálgatással hozzáadni az egyenlethez

OH^{-}

-ionokat és

H_{2} O

-molekulákat, de ez bonyolult és időrabló munka lenne. Ehelyett rendezzük a félreakciót úgy, mintha az savas oldatban történne:

MnO_{4}^{-} (a q) + 4 H^{+} (a q) \to MnO_{2} (s) + 2 H_{2} O (l)

Ezután adjunk mindkét oldalhoz annyi

OH^{-}

-iont, amennyivel semlegesíthetjük a

H^{+}

ionokat.

\begin{aligned} MnO_{4}^{-} (a q) + \underset{⏟}{4 H^{+} (a q) + 4 OH^{-} (a q)} \to MnO_{2} (s) + 2 H_{2} O (l) + 4 OH^{-} (a q) \\ 4 H_{2} O (l) \\ MnO_{4}^{-} (a q) + 2 H_{2} O (l) \to MnO_{2} (s) + 4 OH^{-} (a q) \end{aligned}

Figyeljük meg, hogy a

H^{+}

- és

OH^{-}

-ionok a bal oldalon új

H_{2} O

-molekulákat hoztak létre, majd egyszerűsítettünk azokkal a

H_{2} O

-molekulákat, melyek az egyenlet mindkét oldalán megjelentek.

Végül rendezzük a félreakciót töltés szerint is! Ehhez az egyenlet bal oldalára még három elektront kell beírnunk, így az össztöltés mindkét oldalon

- 4

lesz.

Redukció: MnO_{4}^{-} (a q) + 2 H_{2} O (l) + 3 e^{-} \to MnO_{2} (s) + 4 OH^{-} (a q)

3. lépés: rendezzük az egyenletet az átadott elektronok számára nézve

Ahhoz, hogy a két félreakcióban ugyanannyi elektron átadása szerepeljen, az oxidációs félreakció egyenletét

3

-mal, a redukciósét pedig

2

-vel kell megszoroznunk. Így mindkét félreakcióban hat elektron fog szerepelni.

\begin{aligned} 3 [2 I^{-} (a q) \to I_{2} (a q) + 2 e^{-}] \\ 6 I^{-} (a q) \to 3 I_{2} (a q) + 6 e^{-} \\ 2 [MnO_{4}^{-} (a q) + 2 H_{2} O (l) + 3 e^{-} \to MnO_{2} (s) + 4 OH^{-} (a q)] \\ 2 MnO_{4}^{-} (a q) + 4 H_{2} O (l) + 6 e^{-} \to 2 MnO_{2} (s) + 8 OH^{-} (a q) \end{aligned}

4. lépés: adjuk össze a félreakciókat

Végül adjuk össze a két félreakciót, biztosítva ezzel, hogy az elektronok mind kiesnek:

\begin{aligned} 2 MnO_{4}^{-} (a q) + 4 H_{2} O (l) + 6 e^{-} \to 2 MnO_{2} (s) + 8 OH^{-} (a q) \\ 6 I^{-} (a q) \to 3 I_{2} (a q) + 6 e^{-} \\ \overset{―}{} \\ 2 MnO_{4}^{-} (a q) + 6 I^{-} (a q) + 4 H_{2} O (l) \to 2 MnO_{2} (s) + 3 I_{2} (a q) + 8 OH^{-} (a q) \end{aligned}

Láthatjuk, hogy az egyenlet mindkét oldalán

2

Mn

12

O

8

H

és

6

I

atom van, valamint az össztöltés

8 -

. Tehát az egyenlet rendezve van.

Összefoglalás

A félreakciók módszerét a vizes oldatban lejátszódó redoxireakciók egyenletének rendezésére használhatjuk. A redoxiegyenletet két félreakcióra választjuk szét, az egyikben történik az oxidáció, a másikban a redukció. Mindkét félreakciót rendezzük mind atomszám, mind töltésszám szerint, majd összeadjuk a két egyenletet megfelelő együtthatókkal megszorozva, hogy a bennük szereplő elektronok kiessenek. Bonyolultabb redoxiegyenletek rendezésénél előfordul, hogy hozzá kell még adnunk az egyenlethez

H^{+}

-ionokat és

H_{2} O

-molekulákat (ha a reakció savas közegben zajlik), illetve

OH^{-}

-ionokat és

H_{2} O

-molekulákat (ha a reakció lúgos közegben zajlik).

[Hivatkozások]

Szeretnél részt venni a beszélgetésben?

Jelentkezz be

Rendezés:

Még nincs hozzászólás.

Tudsz angolul? Kattints ide, ha meg szeretnéd nézni, milyen beszélgetések folynak a Khan Academy angol nyelvű oldalán.