Tabla de Contenidos
Redoxreaktioner eller oxidreduktionsreaktioner er kemiske processer, hvor nettooverførsler af elektroner sker fra en kemisk art, der oxideres til en anden, der reduceres . Denne type reaktioner er svære at justere med traditionelle metoder som trial and error, så der er udviklet alternative metoder, der letter processen. En af disse metoder er halvreaktionsmetoden, også kendt som elektronionmetoden .
Hvad er metoden til halvreaktioner eller elektronionen?
Halvreaktionsmetoden består af et sæt trin, der skal følges for at afbalancere eller justere ligningerne for redoxreaktioner. Denne metode er baseret på ideen om, at redoxprocesser faktisk består af koblingen af to processer, der kan betragtes hver for sig, som er oxidation og reduktion.
I metoden med halvreaktioner eller metoden for elektronionen justeres ligningerne for oxidations- og reduktionshalvreaktionerne separat for senere at kombinere begge ligninger i en allerede afbalanceret global ligning.
Oxidations- og reduktionshalvreaktionerne
Oxidation er en kemisk proces, hvor et atom eller en gruppe af atomer mister eller frigiver en eller flere elektroner . Denne proces indebærer nødvendigvis en stigning i oxidationstilstanden af nogle af de atomer, der udgør den oprindelige art.
På den anden side forstås reduktion som den modsatte proces til oxidation. Reduktion er den kemiske proces, hvorunder en kemisk art får en eller flere elektroner . Når dette sker, falder oxidationstilstanden for nogle af de atomer, der udgør denne kemiske art, da den modtager en elektron, hvis ladning er negativ.
To halvdele af samme proces
Frie elektroner er ekstremt ustabile arter, så oxidationsreaktionen er en proces, der ikke kan forekomme uafhængigt, undtagen under meget særlige forhold. Det kan med andre ord ikke ske, at et atom spontant frigiver en elektron uden videre, og at denne elektron så at sige forbliver “svævende rundt”. Dette sker kun under meget energetiske forhold, såsom i plasma, eller når et materiale bombarderes med en eller anden form for højenergistråling. Oxidationsreaktioner kan derfor kun forekomme, hvis en anden art samtidig er i stand til at modtage de frigivne elektroner.
I lyset af dette kan oxidation og reduktion ikke betragtes som kemiske reaktioner i sig selv, men er snarere to halvdele af den samme proces, hvorfor de kaldes halvreaktioner eller halvreaktioner, selvom sidstnævnte Udtrykket bruges sjældent i den spanske kemiske litteratur.
Halvreaktionsmetoden til at justere redoxreaktioner
Dernæst vil trinene til at afbalancere ligningen for en redoxreaktion ved hjælp af elektronionmetoden eller halvreaktionsmetoden blive detaljeret.
Det skal bemærkes, at denne metode tillader to varianter afhængigt af, om reaktionen udføres i et surt medium eller i et basisk medium. I meget af litteraturen er disse to metoder beskrevet separat, efter lidt forskellige trin under forskellige stadier af processen. En redox-justeret reaktion i et surt medium kan dog nemt omdannes til et basisk medium ved hjælp af tre meget enkle trin. Af denne grund synes vi, det er mere bekvemt at lære at opsætte reaktioner i et surt medium (hvilket er nemmere) og derefter transformere det til et basisk medium, hvis det er nødvendigt.
For at illustrere denne proces vil vi tilpasse følgende redoxreaktion, der forekommer i et basismedium:
Trin 0 (valgfrit): Dissociér alle opløste ioniske arter for at opnå den ioniske ligning
Justeringsprocessen ved elektronionmetoden er meget enklere, hvis alle tilskuerioner udelukkes fra halvreaktionerne, det vil sige alle de ioner, der ikke er direkte involveret i oxidationen eller reduktionen, men som ikke desto mindre er til stede i reaktionen. del af de oprindelige ionforbindelser.
Det første skridt i at gøre det er at dissociere alle opløste ioniske arter, det vil sige salte, syrer og baser. De ioner, der optræder på begge sider af ligningen helt uændret, vil være tilskuer-ionerne. I tilfældet med vores eksempel vil den ioniske ligning være sådan:
Ser man på denne ligning, er det klart, at kaliumkationen ikke er involveret i reaktionen og derfor er en tilskuerion. Så vil den nettoioniske ligning, som vi vil justere, efter at have elimineret denne ion, være:
Dette trin er ikke altid nødvendigt, da vi i nogle tilfælde starter direkte fra den nettoioniske ligning (den, hvori tilskuer-ionerne ikke længere er til stede), og i andre er ligningen så enkel, at tilstedeværelsen af disse ioner ikke gribe ind i reaktionsjusteringsprocessen.
Trin 1: Identificer de arter, der bliver oxideret og reduceret.
Det næste trin involverer at bestemme oxidationstilstanden for alle atomerne i den kemiske ligning for at vide, hvilke atomer der har gennemgået en ændring i oxidationstilstanden. Der skal nødvendigvis være mindst ét atom, der er oxideret og et, der er reduceret, og det kan endda være det samme atom (i så fald er vi i nærvær af en bestemt type redoxreaktion kaldet dismutation).
Det er ikke formålet med denne artikel at give en fuldstændig forklaring på, hvordan man bestemmer oxidationstilstandene, men lad os huske som grundlæggende regler, at:
- Elementære stoffer har oxidationstilstand 0.
- Monatomiske kationers og anioners oxidationstilstand svarer til deres ladning.
- I alle oxider og oxyanioner har oxygen -2 oxidationstilstande.
- Med undtagelse af hydrider, hvor dens oxidationstilstand er -1, har brint altid en +1 oxidationstilstand i alle de forbindelser, som det er en del af.
- De øvrige oxidationstilstande er beregnet på en sådan måde, at summen af alle oxidationstilstande stemmer overens med nettoladningen af den pågældende art.
Følgende ligning præsenterer oxidationstilstandene for alle de arter, der er involveret i vores eksempel:
Som vi kan se, er de atomer, der ændrer oxidationstilstande, mangan og jod. Manganet i permanganationen reduceres fra +7 til +4, mens iodidet oxideres til elementært jod, går fra -1 til 0 oxidationstilstand.
Trin 2: Adskil den samlede reaktion i oxidations- og reduktionshalvreaktioner.
Nu hvor vi ved, hvilke arter der bliver oxideret og reduceret, kan vi opdele den samlede reaktion i to halvreaktioner:
Bemærk, at da hydroxidioner ikke er direkte involveret i oxidations- eller reduktionsprocessen, var de ikke inkluderet i nogen af halvreaktionerne.
Trin 3: Udlign de to halvreaktioner separat, som om de var i et surt medium.
Som forklaret i begyndelsen, uanset om reaktionen sker i et surt medium, eller hvis det er basisk, vil vi begynde at justere det, som om det fandt sted i et surt medium. Senere vil det om nødvendigt blive omdannet til et basismedie. Justeringen af halvreaktionerne i surt medium består af følgende 5 trin, som kan anvendes samtidigt på begge halvreaktioner:
- Juster antallet af atomer, der ændrer oxidationstilstande.
I vores tilfælde forårsager reduktionen ingen ændring, da der er en mangan på hver side, men oxidationen gør:
- Juster for alt andet end ilt eller brint, tilføj tilskuerioner om nødvendigt.
I vores eksempel er dette ikke nødvendigt, da vi fjerner alle tilskuerioner i begyndelsen.
- Juster antallet af oxygener ved at tilføje vandmolekyler, hvor de mangler.
I vores tilfælde er det nødvendigt at justere antallet af oxygener i reduktionshalvreaktionen, men ikke i oxidationen:
- Juster antallet af hydrogener ved at tilføje protoner (H + ), hvor de mangler:
Igen forbliver oxidationen uændret, fordi den ikke involverer brintatomer, men i reduktionen skal vi justere dem:
- Juster den samlede elektriske ladning ved at tilføje elektroner (e – ), hvor der mangler negative ladninger eller overskydende positive ladninger (Tip: de er næsten altid på samme side som protonerne):
Som det ses, er nettoladningen på produkterne i reduktionshalvreaktionen 0, men på reaktanterne er der en nettoladning på +4 – 1 = +3, det vil sige, at der er overskud af positive ladninger. Af denne grund skal vi tilføje tre elektroner på siden af reaktanterne for at kompensere for denne overskydende ladning:
På den anden side er der ved oxidation en nettoladning på –2 på reaktantsiden og 0 på produkterne, så der er ingen negative ladninger på produkterne, så der skal tilføjes 2 elektroner på denne side for at balancere afgifterne:
Nøgle
Det skal bemærkes, at tilføjelsen af elektroner ved denne procedure (behandle dem, som om de var ioner, deraf navnet på ion-elektronmetoden) sker uafhængigt af oxidationstilstandene for de forskellige involverede arter. Det er dog vigtigt, at antallet af elektroner og deres placering stemmer overens med de observerede ændringer i oxidationstilstande.
I reduktionshalvreaktioner skal elektroner således altid være på venstre side af ligningen, og i oxidationer skal de altid være på højre side, som det skete i vores eksempel.
Også antallet af elektroner skal svare til ændringen i oxidationstilstand. Mangan reduceres fra +7 til +4, så der er en -3 ændring i dets oxidationstilstand, i overensstemmelse med tilføjelsen af 3 elektroner. I tilfældet med iodid ændres dette fra -1 til 0 svarende til en ændring på +1, men der er to iodider, så der frigives to elektroner i stedet for én, som præsenteret i den respektive ligning.
Trin 4: Gang hver halvreaktion med antallet af elektroner i den anden, og forenkle faktorerne, hvis det er muligt.
Dette trin søger at udligne antallet af elektroner frigivet under oxidation med antallet af elektroner fanget ved reduktion. Dette sikrer, at der ikke er nogen “forældreløse” elektroner i slutningen af reaktionen, eller at der ikke mangler elektroner. Hvis begge halvreaktioner frigiver eller optager det samme antal elektroner, er dette trin ikke nødvendigt.
I vores eksempel frigiver hver oxidationshalvreaktion 2 elektroner, men hver reduktionshalvreaktion kræver 3, så oxidation skal ske 3 gange for hver 2. reduktion, der sker:
Resultatet er:
Trin 5: Tilføj begge halvreaktioner for at få den afbalancerede nettoioniske ligning.
Summen af disse to halvreaktioner resulterer i den justerede nettoioniske ligning i et surt medium:
Trin 6 (kun for basisk medium): Konverter det sure medium til et basisk medium.
I slutningen af trin 5 har vi allerede den justerede nettoioniske ligning i et surt medium. Imidlertid kan reaktionen forekomme i et basisk snarere end et surt medium. Hvis dette er tilfældet, skal den foregående ligning omdannes til et basismedium. Dette gøres gennem tre enkle trin:
- Tilføj en hydroxidion (OH – ) til hver side af ligningen for hver tilstedeværende proton (H + ).
I vores tilfælde skal der tilføjes 8 hydroxidioner fra hver side:
- Kombiner de hydroxider og protoner, der er på samme side for at danne vandmolekyler.
I vores tilfælde er der i reaktanterne 8 hydroxider og 8 protoner, der neutraliseres for at danne 8 vandmolekyler:
- Forenkle eventuelt vandmolekylerne, der gentages på begge sider af ligningen.
Dette sidste trin resulterer i den afbalancerede nettoioniske ligning i basisk medium. I tilfælde af reaktionen, som vi justerer, efter at have dannet de 8 vandmolekyler, kan vi bemærke, at kun fire af disse otte faktisk deltager i reaktionen, da de andre fire forbliver uændrede i produkterne. Forenkling af disse fire gentagne vandmolekyler giver den justerede redoxligning:
Trin 7 (valgfrit): Tilføj tilskuerionerne for at opnå den overordnede molekylære ligning
Dette trin er ikke altid nødvendigt, da den nettoioniske ligning er en mere nøjagtig repræsentation af den kemiske proces, der faktisk finder sted. Det kan dog være vigtigt for at udføre støkiometriske beregninger. I denne forstand, hvis du ønsker at opnå den globale molekylære ligning, behøver du kun at tilføje tilskuerionerne som modioner af alle de arter, der optræder i den nettoioniske ligning.
I det foreliggende eksempel er den eneste tilskuerion kaliumkationen (K + ), så vi vil bruge den til at neutralisere alle de anioner, der er til stede i reaktionen:
Til sidst, efter at have forenet de respektive ioner, opnår vi kun den justerede ligning med hensyn til neutrale arter:
Referencer
Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Kemi (11. udgave). McGraw-Hill Interamericana de España SL
Generalic, E. (2021, 22. januar). Afbalancering af redoxreaktioner ved ion-elektronmetoden . periodni.com. https://www.periodni.com/en/method_of_semi-reactions.php
Lavado S., A., & Yenque D., JA (2005). Ensartet procedure til afbalancering af redoxreaktioner ved hjælp af Ion-Electron-metoden . Redalyc. https://www.redalyc.org/pdf/816/81680214.pdf
