Ρύθμιση των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων με τη μέθοδο των ημι-αντιδράσεων ή ιόντων ηλεκτρονίων

Οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής ή οι αντιδράσεις αναγωγής οξειδίου είναι χημικές διεργασίες στις οποίες πραγματοποιούνται καθαρές μεταφορές ηλεκτρονίων από ένα χημικό είδος που οξειδώνεται σε ένα άλλο που ανάγεται . Αυτός ο τύπος αντιδράσεων είναι δύσκολο να προσαρμοστεί με παραδοσιακές μεθόδους όπως η δοκιμή και το σφάλμα, επομένως έχουν αναπτυχθεί εναλλακτικές μέθοδοι που διευκολύνουν τη διαδικασία. Μία από αυτές τις μεθόδους είναι η μέθοδος ημιαντίδρασης, γνωστή και ως μέθοδος ιόντων ηλεκτρονίων .

Ποια είναι η μέθοδος των ημι-αντιδράσεων ή το ιόν ηλεκτρονίου;

Η μέθοδος ημιαντίδρασης αποτελείται από ένα σύνολο βημάτων που πρέπει να ακολουθηθούν για να εξισορροπηθούν ή να προσαρμοστούν οι εξισώσεις των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην ιδέα ότι οι διεργασίες οξειδοαναγωγής στην πραγματικότητα αποτελούνται από τη σύζευξη δύο διεργασιών που μπορούν να εξεταστούν χωριστά, οι οποίες είναι η οξείδωση και η αναγωγή.

Στη μέθοδο των ημι-αντιδράσεων ή στη μέθοδο του ιόντος ηλεκτρονίου, οι εξισώσεις των ημι-αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής προσαρμόζονται χωριστά για να συνδυαστούν αργότερα και οι δύο εξισώσεις σε μια ήδη ισορροπημένη παγκόσμια εξίσωση.

Οι ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής

Η οξείδωση είναι μια χημική διαδικασία κατά την οποία ένα άτομο ή μια ομάδα ατόμων χάνει ή απελευθερώνει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια . Αυτή η διαδικασία συνεπάγεται αναγκαστικά μια αύξηση στην κατάσταση οξείδωσης ορισμένων από τα άτομα που αποτελούν το αρχικό είδος.

Από την άλλη πλευρά, η αναγωγή νοείται ως η αντίθετη διαδικασία από την οξείδωση. Αναγωγή είναι η χημική διαδικασία κατά την οποία ένα χημικό είδος κερδίζει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια . Όταν συμβεί αυτό, η κατάσταση οξείδωσης ορισμένων από τα άτομα που αποτελούν αυτό το χημικό είδος μειώνεται, καθώς δέχεται ένα ηλεκτρόνιο του οποίου το φορτίο είναι αρνητικό.

Δύο μισά της ίδιας διαδικασίας

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι εξαιρετικά ασταθή είδη, επομένως η αντίδραση οξείδωσης είναι μια διαδικασία που δεν μπορεί να συμβεί ανεξάρτητα, παρά μόνο κάτω από πολύ συγκεκριμένες συνθήκες. Με άλλα λόγια, δεν μπορεί να συμβεί ένα άτομο να απελευθερώσει αυθόρμητα ένα ηλεκτρόνιο χωρίς περαιτέρω καθυστέρηση, και αυτό το ηλεκτρόνιο να παραμείνει, θα λέγαμε, «επιπλέει γύρω». Αυτό συμβαίνει μόνο σε συνθήκες υψηλής ενέργειας, όπως στο πλάσμα, ή όταν ένα υλικό βομβαρδίζεται με κάποιο είδος ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Κατά συνέπεια, αντιδράσεις οξείδωσης μπορούν να συμβούν μόνο εάν την ίδια στιγμή ένα άλλο είδος είναι ικανό να λάβει τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια.

Λαμβάνοντας υπόψη αυτό, η οξείδωση και η αναγωγή δεν μπορούν να θεωρηθούν ως χημικές αντιδράσεις από μόνες τους, αλλά αποτελούν δύο μισά της ίδιας διαδικασίας, γι’ αυτό ονομάζονται ημι-αντιδράσεις ή ημι-αντιδράσεις, αν και οι τελευταίες Ο όρος χρησιμοποιείται σπάνια σε την ισπανική χημική βιβλιογραφία.

Η μέθοδος ημι-αντίδρασης για τη ρύθμιση των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής

Στη συνέχεια, θα αναλυθούν τα βήματα για την εξισορρόπηση της εξίσωσης μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ιόντων ηλεκτρονίων ή τη μέθοδο ημιαντίδρασης.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή η μέθοδος δέχεται δύο παραλλαγές ανάλογα με το αν η αντίδραση διεξάγεται σε όξινο μέσο ή σε βασικό μέσο. Σε μεγάλο μέρος της βιβλιογραφίας, αυτές οι δύο μέθοδοι περιγράφονται λεπτομερώς ξεχωριστά, ακολουθώντας ελαφρώς διαφορετικά βήματα κατά τη διάρκεια διαφορετικών σταδίων της διαδικασίας. Ωστόσο, μια αντίδραση ρυθμισμένης οξειδοαναγωγής σε ένα όξινο μέσο μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε βασικό μέσο μέσω τριών πολύ απλών βημάτων. Για το λόγο αυτό, πιστεύουμε ότι είναι πιο βολικό να μάθουμε πώς να ρυθμίζουμε τις αντιδράσεις σε ένα όξινο μέσο (που είναι πιο εύκολο) και στη συνέχεια να το μετατρέπουμε σε βασικό μέσο εάν είναι απαραίτητο.

Για να επεξηγήσουμε αυτήν τη διαδικασία, θα προσαρμόσουμε την ακόλουθη αντίδραση οξειδοαναγωγής που συμβαίνει σε ένα βασικό μέσο:

Βήμα 0 (προαιρετικό): Διαχωρίστε όλα τα διαλυμένα ιοντικά είδη για να λάβετε την ιοντική εξίσωση

Η διαδικασία προσαρμογής με τη μέθοδο ιόντων ηλεκτρονίων είναι πολύ απλούστερη εάν όλα τα ιόντα θεατή εξαιρεθούν από τις ημι-αντιδράσεις, δηλαδή όλα εκείνα τα ιόντα που δεν εμπλέκονται άμεσα στην οξείδωση ή την αναγωγή αλλά παρόλα αυτά υπάρχουν στην αντίδραση. διάλυμα και μορφή μέρος των αρχικών ιοντικών ενώσεων.

Το πρώτο βήμα για να γίνει αυτό είναι να διαχωριστούν όλα τα διαλυμένα ιοντικά είδη, δηλαδή τα άλατα, τα οξέα και οι βάσεις. Αυτά τα ιόντα που εμφανίζονται και στις δύο πλευρές της εξίσωσης εντελώς αμετάβλητα θα είναι τα ιόντα θεατή. Στην περίπτωση του παραδείγματός μας, η ιοντική εξίσωση θα είναι ως εξής:

Εξετάζοντας αυτή την εξίσωση, είναι σαφές ότι το κατιόν του καλίου δεν εμπλέκεται στην αντίδραση και επομένως είναι ένα ιόν θεατή. Τότε, η καθαρή ιοντική εξίσωση που θα προσαρμόσουμε, αφού εξαλείψουμε αυτό το ιόν, θα είναι:

Αυτό το βήμα δεν είναι πάντα απαραίτητο, καθώς σε ορισμένες περιπτώσεις ξεκινάμε απευθείας από την καθαρή ιοντική εξίσωση (αυτή στην οποία τα ιόντα θεατών δεν υπάρχουν πλέον) και σε άλλες, η εξίσωση είναι τόσο απλή που η παρουσία αυτών των ιόντων δεν παρεμβαίνει στη διαδικασία προσαρμογής της αντίδρασης.

Βήμα 1: Προσδιορίστε τα είδη που οξειδώνονται και ανάγεται.

Το επόμενο βήμα περιλαμβάνει τον προσδιορισμό της κατάστασης οξείδωσης όλων των ατόμων που υπάρχουν στη χημική εξίσωση, προκειμένου να γνωρίζουμε ποια άτομα υπέστησαν αλλαγή στην κατάσταση οξείδωσης. Πρέπει απαραιτήτως να υπάρχει τουλάχιστον ένα άτομο που οξειδώνεται και ένα που ανάγεται, και μπορεί ακόμη και να είναι το ίδιο άτομο (στην περίπτωση αυτή βρισκόμαστε στην παρουσία ενός συγκεκριμένου τύπου οξειδοαναγωγικής αντίδρασης που ονομάζεται δυσμετάλλαξη).

Δεν είναι ο σκοπός αυτού του άρθρου να δώσει μια πλήρη εξήγηση σχετικά με τον τρόπο προσδιορισμού των καταστάσεων οξείδωσης, αλλά ας θυμόμαστε ως βασικούς κανόνες ότι:

• Οι στοιχειώδεις ουσίες έχουν κατάσταση οξείδωσης 0.
• Η κατάσταση οξείδωσης των μονοατομικών κατιόντων και ανιόντων αντιστοιχεί στο φορτίο τους.
• Σε όλα τα οξείδια και τα οξυανιόντα, το οξυγόνο έχει -2 καταστάσεις οξείδωσης.
• Με εξαίρεση τα υδρίδια, όπου η οξειδωτική του κατάσταση είναι -1, το υδρογόνο έχει πάντα κατάσταση οξείδωσης +1 σε όλες τις ενώσεις των οποίων αποτελεί μέρος.
• Οι άλλες καταστάσεις οξείδωσης υπολογίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε το άθροισμα όλων των καταστάσεων οξείδωσης να ταιριάζει με το καθαρό φορτίο του εν λόγω είδους.

Η ακόλουθη εξίσωση παρουσιάζει τις καταστάσεις οξείδωσης όλων των ειδών που εμπλέκονται στο παράδειγμά μας:

Όπως μπορούμε να δούμε, τα άτομα που αλλάζουν καταστάσεις οξείδωσης είναι το μαγγάνιο και το ιώδιο. Το μαγγάνιο στο υπερμαγγανικό ιόν ανάγεται από +7 σε +4 ενώ το ιωδίδιο οξειδώνεται σε στοιχειακό ιώδιο, πηγαίνοντας από -1 σε 0 κατάσταση οξείδωσης.

Βήμα 2: Διαχωρίστε τη συνολική αντίδραση σε ημι-αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής.

Τώρα που γνωρίζουμε ποια είδη οξειδώνονται και ανάγεται, μπορούμε να διαιρέσουμε τη συνολική αντίδραση σε δύο ημι-αντιδράσεις:

Σημειώστε ότι, δεδομένου ότι τα ιόντα υδροξειδίου δεν εμπλέκονται άμεσα στη διαδικασία οξείδωσης ή αναγωγής, δεν συμπεριλήφθηκαν σε καμία από τις ημι-αντιδράσεις.

Βήμα 3: Εξισορροπήστε χωριστά τις δύο ημι-αντιδράσεις σαν να ήταν σε όξινο μέσο.

Όπως εξηγήθηκε στην αρχή, είτε η αντίδραση συμβαίνει σε όξινο μέσο είτε εάν είναι βασική, θα αρχίσουμε να την προσαρμόζουμε σαν να συνέβη σε όξινο μέσο. Αργότερα, αν χρειαστεί, θα μετατραπεί σε βασικό μέσο. Η ρύθμιση των ημι-αντιδράσεων σε όξινο μέσο αποτελείται από τα ακόλουθα 5 βήματα, τα οποία μπορούν να εφαρμοστούν ταυτόχρονα και στις δύο ημι-αντιδράσεις:

• Προσαρμόστε τον αριθμό των ατόμων που αλλάζουν καταστάσεις οξείδωσης.

Στην περίπτωσή μας, η αναγωγή δεν προκαλεί καμία αλλαγή, αφού υπάρχει ένα μαγγάνιο σε κάθε πλευρά, αλλά η οξείδωση:

• Προσαρμόστε για οτιδήποτε άλλο εκτός από οξυγόνο ή υδρογόνο, προσθέτοντας ιόντα θεατών εάν είναι απαραίτητο.

Στο παράδειγμά μας αυτό δεν είναι απαραίτητο, αφού αφαιρούμε όλα τα ιόντα θεατών στην αρχή.

• Προσαρμόστε τον αριθμό των οξυγόνων προσθέτοντας μόρια νερού όπου λείπουν.

Στην περίπτωσή μας, είναι απαραίτητο να ρυθμίσουμε τον αριθμό των οξυγόνων στην ημιαντίδραση αναγωγής, αλλά όχι στην οξείδωση:

• Προσαρμόστε τον αριθμό των υδρογόνων προσθέτοντας πρωτόνια (H ⁺ ) όπου λείπουν:

Και πάλι, η οξείδωση παραμένει αμετάβλητη επειδή δεν περιλαμβάνει άτομα υδρογόνου, αλλά στη μείωση πρέπει να τα προσαρμόσουμε:

• Προσαρμόστε το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο προσθέτοντας ηλεκτρόνια (e ^– ) όπου λείπουν αρνητικά φορτία ή υπερβολικά θετικά φορτία (Συμβουλή: είναι σχεδόν πάντα στην ίδια πλευρά με τα πρωτόνια):

Όπως φαίνεται, στην ημιαντίδραση αναγωγής το καθαρό φορτίο στα προϊόντα είναι 0, αλλά στα αντιδρώντα υπάρχει καθαρό φορτίο +4 – 1 = +3, δηλαδή υπάρχουν πλεονάζοντα θετικά φορτία. Για το λόγο αυτό, πρέπει να προσθέσουμε τρία ηλεκτρόνια στην πλευρά των αντιδρώντων για να αντισταθμίσουμε αυτό το πλεονάζον φορτίο:

Από την άλλη πλευρά, στην περίπτωση της οξείδωσης, υπάρχει ένα καθαρό φορτίο -2 στην πλευρά των αντιδρώντων και 0 στα προϊόντα, επομένως δεν υπάρχουν αρνητικά φορτία στα προϊόντα, επομένως πρέπει να προστεθούν 2 ηλεκτρόνια σε αυτήν την πλευρά για να εξισορροπηθούν οι χρεώσεις:

Ενδειξη

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η προσθήκη ηλεκτρονίων με αυτή τη διαδικασία (μεταχείρισή τους σαν να ήταν ιόντα, εξ ου και η ονομασία της μεθόδου ιόντων-ηλεκτρονίου) γίνεται ανεξάρτητα από τις καταστάσεις οξείδωσης των διαφόρων ειδών που εμπλέκονται. Ωστόσο, είναι σημαντικό ο αριθμός των ηλεκτρονίων και η τοποθέτησή τους να ταιριάζει με τις παρατηρούμενες αλλαγές στις καταστάσεις οξείδωσης.

Έτσι, στις ημι-αντιδράσεις αναγωγής, τα ηλεκτρόνια πρέπει να βρίσκονται πάντα στην αριστερή πλευρά της εξίσωσης και στις οξειδώσεις πρέπει να βρίσκονται πάντα στη δεξιά πλευρά, όπως συνέβη στο παράδειγμά μας.

Επίσης, ο αριθμός των ηλεκτρονίων πρέπει να ταιριάζει με την αλλαγή στην κατάσταση οξείδωσης. Το μαγγάνιο μειώνεται από +7 σε +4, επομένως υπάρχει μια αλλαγή -3 στην κατάσταση οξείδωσής του, σύμφωνα με την προσθήκη 3 ηλεκτρονίων. Στην περίπτωση του ιωδίου, αυτό αλλάζει από -1 σε 0 που αντιστοιχεί σε μεταβολή +1, αλλά υπάρχουν δύο ιωδίδια, οπότε απελευθερώνονται δύο ηλεκτρόνια αντί για ένα, όπως παρουσιάζεται στην αντίστοιχη εξίσωση.

Βήμα 4: Πολλαπλασιάστε κάθε ημιαντίδραση με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στην άλλη, απλοποιώντας τους παράγοντες αν είναι δυνατόν.

Αυτό το βήμα επιδιώκει να εξισώσει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που απελευθερώνονται κατά την οξείδωση με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που συλλαμβάνονται από την αναγωγή. Αυτό διασφαλίζει ότι δεν υπάρχουν “ορφανά” ηλεκτρόνια στο τέλος της αντίδρασης ή ότι δεν λείπουν ηλεκτρόνια. Εάν και οι δύο ημι-αντιδράσεις απελευθερώνουν ή καταλαμβάνουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων, αυτό το βήμα δεν είναι απαραίτητο.

Στο παράδειγμά μας, κάθε ημιαντίδραση οξείδωσης απελευθερώνει 2 ηλεκτρόνια, αλλά κάθε ημιαντίδραση μείωσης απαιτεί 3, επομένως η οξείδωση πρέπει να συμβαίνει 3 φορές για κάθε 2 φορές που συμβαίνει μείωση:

Το αποτέλεσμα είναι:

Βήμα 5: Προσθέστε και τις δύο ημι-αντιδράσεις για να λάβετε την ισορροπημένη καθαρή ιοντική εξίσωση.

Το άθροισμα αυτών των δύο ημι-αντιδράσεων έχει ως αποτέλεσμα την προσαρμοσμένη καθαρή ιοντική εξίσωση σε ένα όξινο μέσο:

Βήμα 6 (μόνο για βασικό υλικό): Μετατρέψτε το όξινο σε βασικό μέσο.

Στο τέλος του βήματος 5 έχουμε ήδη την προσαρμοσμένη καθαρή ιοντική εξίσωση σε ένα όξινο μέσο. Ωστόσο, η αντίδραση μπορεί να συμβεί σε βασικό και όχι σε όξινο μέσο. Εάν συμβαίνει αυτό, η προηγούμενη εξίσωση πρέπει να μετατραπεί σε βασικό μέσο. Αυτό γίνεται με τρία απλά βήματα:

• Προσθέστε ένα ιόν υδροξειδίου (OH ^– ) σε κάθε πλευρά της εξίσωσης για κάθε πρωτόνιο (H ⁺ ) που υπάρχει.

Στην περίπτωσή μας, πρέπει να προστεθούν 8 ιόντα υδροξειδίου από κάθε πλευρά:

• Συνδυάστε τα υδροξείδια και τα πρωτόνια που βρίσκονται στην ίδια πλευρά για να σχηματίσετε μόρια νερού.

Στην περίπτωσή μας, στα αντιδρώντα υπάρχουν 8 υδροξείδια και 8 πρωτόνια που εξουδετερώνονται για να σχηματίσουν 8 μόρια νερού:

• Εάν είναι απαραίτητο, απλοποιήστε τα μόρια του νερού που επαναλαμβάνονται και στις δύο πλευρές της εξίσωσης.

Αυτό το τελευταίο βήμα έχει ως αποτέλεσμα την ισορροπημένη καθαρή ιοντική εξίσωση σε βασικό μέσο. Στην περίπτωση της αντίδρασης που προσαρμόζουμε, αφού σχηματίσουμε τα 8 μόρια νερού, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι μόνο τέσσερα από αυτά τα οκτώ συμμετέχουν στην αντίδραση, αφού τα άλλα τέσσερα παραμένουν αμετάβλητα στα προϊόντα. Η απλοποίηση αυτών των τεσσάρων επαναλαμβανόμενων μορίων νερού δίνει την προσαρμοσμένη εξίσωση οξειδοαναγωγής:

Βήμα 7 (προαιρετικό): Προσθέστε τα ιόντα θεατή για να λάβετε τη συνολική μοριακή εξίσωση

Αυτό το βήμα δεν είναι πάντα απαραίτητο, καθώς η καθαρή ιοντική εξίσωση είναι μια πιο ακριβής αναπαράσταση της χημικής διαδικασίας που συμβαίνει στην πραγματικότητα. Ωστόσο, μπορεί να είναι σημαντικό για τη διεξαγωγή στοιχειομετρικών υπολογισμών. Υπό αυτή την έννοια, εάν θέλετε να αποκτήσετε τη συνολική μοριακή εξίσωση, χρειάζεται μόνο να προσθέσετε τα ιόντα θεατή ως αντίθετα ιόντα όλων των ειδών που εμφανίζονται στην καθαρή ιοντική εξίσωση.

Στο παρόν παράδειγμα, το μόνο ιόν θεατή είναι το κατιόν καλίου (K ⁺ ), επομένως θα το χρησιμοποιήσουμε για να εξουδετερώσουμε όλα τα ανιόντα που υπάρχουν στην αντίδραση:

Τέλος, αφού ενώσουμε τα αντίστοιχα ιόντα, λαμβάνουμε την προσαρμοσμένη εξίσωση ως προς τα ουδέτερα είδη μόνο:

βιβλιογραφικές αναφορές

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Χημεία (11η έκδ.). McGraw-Hill Interamericana de España SL

Generalic, E. (2021, 22 Ιανουαρίου). Εξισορρόπηση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής με τη μέθοδο ιόντων-ηλεκτρονίου . periodni.com. https://www.periodni.com/en/method_of_semi-reactions.php

Lavado S., A., & Yenque D., JA (2005). Ενιαία διαδικασία για την εξισορρόπηση των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ιόντων-ηλεκτρονίου . Redalyc. https://www.redalyc.org/pdf/816/81680214.pdf