Tabla de Contenidos
Reacțiile redox sau reacțiile de oxid-reducere sunt procese chimice în care au loc transferuri nete de electroni de la o specie chimică care este oxidată la alta care este redusă . Acest tip de reacții este greu de ajustat prin metode tradiționale precum încercarea și eroarea, așa că au fost dezvoltate metode alternative care facilitează procesul. Una dintre aceste metode este metoda semireacției, cunoscută și sub denumirea de metoda ionilor de electroni .
Care este metoda semireacțiilor sau ionul electron?
Metoda semireacției constă într-un set de pași de urmat pentru a echilibra sau ajusta ecuațiile reacțiilor redox. Această metodă se bazează pe ideea că procesele redox constau de fapt în cuplarea a două procese care pot fi considerate separat, care sunt oxidarea și reducerea.
În metoda semireacțiilor sau metoda ionului electron, ecuațiile semireacțiilor de oxidare și reducere sunt ajustate separat pentru a combina ulterior ambele ecuații într-o ecuație globală deja echilibrată.
Semireacțiile de oxidare și reducere
Oxidarea este un proces chimic în timpul căruia un atom sau un grup de atomi pierde sau eliberează unul sau mai mulți electroni . Acest proces implică în mod necesar o creștere a stării de oxidare a unora dintre atomii care alcătuiesc specia originală.
Pe de altă parte, reducerea este înțeleasă ca un proces opus oxidării. Reducerea este procesul chimic în timpul căruia o specie chimică câștigă unul sau mai mulți electroni . Când se întâmplă acest lucru, starea de oxidare a unora dintre atomii care alcătuiesc această specie chimică scade, deoarece primește un electron a cărui sarcină este negativă.
Două jumătăți ale aceluiași proces
Electronii liberi sunt specii extrem de instabile, astfel încât reacția de oxidare este un proces care nu poate avea loc independent, decât în condiții foarte particulare. Cu alte cuvinte, nu se poate întâmpla ca un atom să elibereze în mod spontan un electron, fără alte cuvinte, și ca acest electron să rămână, ca să spunem așa, „plutind în jur”. Acest lucru se întâmplă numai în condiții de înaltă energie, cum ar fi în plasmă, sau atunci când un material este bombardat cu un anumit tip de radiație de înaltă energie. În consecință, reacțiile de oxidare pot avea loc numai dacă, în același timp, o altă specie este capabilă să primească electronii eliberați.
Având în vedere acest lucru, oxidarea și reducerea nu pot fi considerate reacții chimice în sine, ci mai degrabă sunt două jumătăți ale aceluiași proces, motiv pentru care sunt numite semireacții sau semireacții, deși acestea din urmă Termenul este rar folosit în literatura chimică spaniolă.
Metoda semireacției de ajustare a reacțiilor redox
În continuare, vor fi detaliați pașii de echilibrare a ecuației unei reacții redox folosind metoda ionilor de electroni sau metoda semireacției.
De remarcat faptul că această metodă admite două variante în funcție de faptul că reacția se desfășoară în mediu acid sau în mediu bazic. În cea mai mare parte a literaturii, aceste două metode sunt detaliate separat, urmând pași ușor diferiți în diferite etape ale procesului. Cu toate acestea, o reacție ajustată redox într-un mediu acid poate fi ușor convertită într-un mediu bazic prin intermediul a trei etape foarte simple. Din acest motiv, credem că este mai convenabil să învățăm cum să stabilim reacțiile într-un mediu acid (ceea ce este mai ușor) și apoi să îl transformăm într-un mediu bazic dacă este necesar.
Pentru a ilustra acest proces, vom potrivi următoarea reacție redox care are loc într-un mediu de bază:
Pasul 0 (opțional): Disociați toate speciile ionice dizolvate pentru a obține ecuația ionică
Procesul de ajustare prin metoda ionilor de electroni este mult mai simplu dacă toți ionii spectatori sunt excluși din semireacții, adică toți acei ioni care nu sunt implicați direct în oxidare sau reducere, dar sunt totuși prezenți în reacție, soluție și formă. parte din compușii ionici originali.
Primul pas în acest sens este disociarea tuturor speciilor ionice dizolvate, adică sărurile, acizii și bazele. Acei ioni care apar pe ambele părți ale ecuației complet neschimbați vor fi ionii spectatorului. În cazul exemplului nostru, ecuația ionică va fi astfel:
Privind această ecuație, este clar că cationul de potasiu nu este implicat în reacție și, prin urmare, este un ion spectator. Apoi, ecuația ionică netă pe care o vom ajusta, după eliminarea acestui ion, va fi:
Acest pas nu este întotdeauna necesar, deoarece în unele cazuri pornim direct de la ecuația ionică netă (cea în care ionii spectatorului nu mai sunt prezenți), iar în altele, ecuația este atât de simplă încât prezența acestor ioni nu interferează în procesul de ajustare a reacției.
Pasul 1: Identificați speciile care sunt oxidate și reduse.
Următorul pas presupune determinarea stării de oxidare a tuturor atomilor prezenți în ecuația chimică, pentru a ști care atomi au suferit o modificare a stării de oxidare. Trebuie să existe în mod necesar cel puțin un atom care este oxidat și unul care este redus și poate fi chiar același atom (caz în care ne aflăm în prezența unui anumit tip de reacție redox numită dismutare).
Scopul acestui articol nu este de a oferi o explicație completă cu privire la modul de determinare a stărilor de oxidare, dar să ne amintim ca reguli de bază că:
- Substanțele elementare au starea de oxidare 0.
- Starea de oxidare a cationilor și anionilor monoatomici corespunde încărcăturii lor.
- În toți oxizii și oxianionii, oxigenul are -2 stări de oxidare.
- Cu excepția hidrurilor, unde starea sa de oxidare este -1, hidrogenul are întotdeauna o stare de oxidare +1 în toți compușii din care face parte.
- Celelalte stări de oxidare sunt calculate în așa fel încât suma tuturor stărilor de oxidare să se potrivească cu sarcina netă a speciei în cauză.
Următoarea ecuație prezintă stările de oxidare ale tuturor speciilor implicate în exemplul nostru:
După cum putem vedea, atomii care își schimbă stările de oxidare sunt manganul și iodul. Manganul din ionul permanganat este redus de la +7 la +4 în timp ce iodura este oxidată la iod elementar, trecând de la -1 la 0 stare de oxidare.
Pasul 2: Separați reacția totală în semireacții de oxidare și reducere.
Acum că știm ce specii sunt oxidate și reduse, putem împărți reacția generală în două semireacții:
Rețineți că, deoarece ionii de hidroxid nu sunt implicați direct în procesul de oxidare sau reducere, ei nu au fost incluși în niciuna dintre semireacții.
Pasul 3: Se echilibrează separat cele două semireacții ca și cum ar fi într-un mediu acid.
După cum sa explicat la început, indiferent dacă reacția are loc într-un mediu acid sau dacă este bazică, vom începe să o ajustăm ca și cum ar fi avut loc într-un mediu acid. Ulterior, dacă va fi necesar, va fi transformat într-un mediu de bază. Ajustarea semireacțiilor în mediu acid constă în următoarele 5 etape, care pot fi aplicate simultan ambelor semireacții:
- Reglați numărul de atomi care își schimbă stările de oxidare.
În cazul nostru, reducerea nu provoacă nicio modificare, deoarece există câte un mangan pe fiecare parte, dar oxidarea face:
- Ajustați pentru orice altceva decât oxigen sau hidrogen, adăugând ioni de spectator dacă este necesar.
În exemplul nostru, acest lucru nu este necesar, deoarece eliminăm toți ionii de spectator la început.
- Reglați numărul de oxigen adăugând molecule de apă acolo unde acestea lipsesc.
În cazul nostru, este necesar să se ajusteze numărul de oxigen în semireacția de reducere, dar nu și în oxidare:
- Ajustați numărul de hidrogeni adăugând protoni (H + ) acolo unde aceștia lipsesc:
Din nou, oxidarea rămâne neschimbată, deoarece nu implică atomi de hidrogen, dar în reducere trebuie să îi ajustăm:
- Reglați sarcina electrică totală adăugând electroni (e – ) acolo unde lipsesc sarcini negative sau sarcini pozitive în exces (Sfat: sunt aproape întotdeauna de aceeași parte cu protonii):
După cum se poate observa, în semireacția de reducere sarcina netă a produselor este 0, dar la reactanți există o sarcină netă de +4 – 1 = +3, adică există surplus de sarcini pozitive. Din acest motiv, trebuie să adăugăm trei electroni pe partea reactanților pentru a compensa acest exces de sarcină:
Pe de altă parte, în cazul oxidării, există o sarcină netă de –2 pe partea reactanților și 0 pe produse, deci nu există sarcini negative pe produse, așa că trebuie adăugați 2 electroni pe această parte pentru a echilibra taxele:
Cheie
De remarcat faptul că adăugarea electronilor prin această procedură (tratându-i ca și cum ar fi ioni, de unde și denumirea metodei ion-electron) se face independent de stările de oxidare ale diferitelor specii implicate. Cu toate acestea, este esențial ca numărul de electroni și plasarea lor să se potrivească cu modificările observate în stările de oxidare.
Astfel, în semireacțiile de reducere, electronii trebuie să fie întotdeauna pe partea stângă a ecuației, iar în oxidare trebuie să fie întotdeauna pe partea dreaptă, așa cum sa întâmplat în exemplul nostru.
De asemenea, numărul de electroni trebuie să se potrivească cu schimbarea stării de oxidare. Manganul este redus de la +7 la +4, deci există o schimbare de -3 în starea sa de oxidare, în concordanță cu adăugarea a 3 electroni. În cazul iodurii, aceasta se schimbă de la -1 la 0 corespunzând unei modificări de +1, dar există două ioduri, deci sunt eliberați doi electroni în loc de unul, așa cum este prezentat în ecuația respectivă.
Pasul 4: Înmulțiți fiecare semireacție cu numărul de electroni din cealaltă, simplificând factorii dacă este posibil.
Această etapă urmărește egalizarea numărului de electroni eliberați în timpul oxidării cu numărul de electroni capturați prin reducere. Acest lucru asigură că nu există electroni „orfani” la sfârșitul reacției sau că nu lipsesc niciun electroni. Dacă ambele semireacții eliberează sau preiau același număr de electroni, acest pas nu este necesar.
În exemplul nostru, fiecare semireacție de oxidare eliberează 2 electroni, dar fiecare semireacție de reducere necesită 3, așa că oxidarea trebuie să aibă loc de 3 ori pentru fiecare 2 ori reducerea:
Rezultatul este:
Pasul 5: Adăugați ambele semireacții pentru a obține ecuația ionică netă echilibrată.
Suma acestor două semireacții are ca rezultat ecuația ionică netă ajustată într-un mediu acid:
Pasul 6 (doar pentru mediul bazic): Transformați mediul acid într-un mediu bazic.
La sfârșitul pasului 5 avem deja ecuația ionică netă ajustată într-un mediu acid. Cu toate acestea, reacția poate avea loc într-un mediu bazic mai degrabă decât într-un mediu acid. Dacă acesta este cazul, ecuația anterioară trebuie transformată într-un mediu de bază. Acest lucru se realizează prin trei pași simpli:
- Adăugați câte un ion hidroxid (OH – ) pe fiecare parte a ecuației pentru fiecare proton (H + ) prezent.
În cazul nostru, trebuie adăugați 8 ioni de hidroxid de fiecare parte:
- Combinați hidroxizii și protonii care sunt de aceeași parte pentru a forma molecule de apă.
În cazul nostru, în reactanți există 8 hidroxizi și 8 protoni care sunt neutralizați pentru a forma 8 molecule de apă:
- Dacă este necesar, simplificați moleculele de apă care se repetă pe ambele părți ale ecuației.
Acest ultim pas are ca rezultat ecuația ionică netă echilibrată în mediu de bază. În cazul reacției pe care o ajustăm, după formarea celor 8 molecule de apă, putem observa că doar patru dintre aceste opt participă efectiv la reacție, întrucât celelalte patru rămân neschimbate în produse. Simplificarea acestor patru molecule de apă care se repetă oferă ecuația redox ajustată:
Pasul 7 (opțional): Adăugați ionii spectatorului pentru a obține ecuația moleculară globală
Acest pas nu este întotdeauna necesar, deoarece ecuația ionică netă este o reprezentare mai precisă a procesului chimic care are loc de fapt. Cu toate acestea, poate fi important pentru efectuarea calculelor stoichiometrice. În acest sens, dacă doriți să obțineți ecuația moleculară globală, trebuie doar să adăugați ionii spectator ca contraioni ai tuturor speciilor care apar în ecuația ionică netă.
În exemplul de față, singurul ion spectator este cationul de potasiu (K + ), așa că îl vom folosi pentru a neutraliza toți anionii prezenți în reacție:
În cele din urmă, după unirea ionilor respectivi, obținem ecuația ajustată doar în termeni de specii neutre:
Referințe
Chang, R. și Goldsby, K. (2013). Chimie (ed. a 11-a). McGraw-Hill Interamericana de España SL
Generalic, E. (22 ianuarie 2021). Echilibrarea reacțiilor redox prin metoda ion-electron . periodni.com. https://www.periodni.com/en/method_of_semi-reactions.php
Lavado S., A., & Yenque D., JA (2005). Procedura unificată de echilibrare a reacțiilor redox folosind metoda ion-electron . Redalyc. https://www.redalyc.org/pdf/816/81680214.pdf
