Tabla de Contenidos
Redoxreaktioner eller oxidreduktionsreaktioner är kemiska processer där nettoöverföringar av elektroner sker från en kemisk art som oxideras till en annan som reduceras . Denna typ av reaktioner är svåra att justera med traditionella metoder som trial and error, så alternativa metoder har tagits fram som underlättar processen. En av dessa metoder är halvreaktionsmetoden, även känd som elektronjonmetoden .
Vad är metoden för halvreaktioner eller elektronjonen?
Halvreaktionsmetoden består av en uppsättning steg att följa för att balansera eller justera ekvationerna för redoxreaktioner. Denna metod bygger på tanken att redoxprocesser egentligen består av kopplingen av två processer som kan betraktas separat, som är oxidation och reduktion.
I metoden för halvreaktioner eller metoden för elektronjonen justeras ekvationerna för oxidations- och reduktionshalvreaktionerna separat för att senare kombinera båda ekvationerna i en redan balanserad global ekvation.
Oxidations- och reduktionshalvreaktionerna
Oxidation är en kemisk process under vilken en atom eller en grupp av atomer förlorar eller frigör en eller flera elektroner . Denna process innebär nödvändigtvis en ökning av oxidationstillståndet för några av atomerna som utgör den ursprungliga arten.
Å andra sidan förstås reduktion som motsatsen till oxidation. Reduktion är den kemiska process under vilken en kemisk art får en eller flera elektroner . När detta händer minskar oxidationstillståndet för några av atomerna som utgör denna kemiska art, eftersom den tar emot en elektron vars laddning är negativ.
Två halvor av samma process
Fria elektroner är extremt instabila arter, så oxidationsreaktionen är en process som inte kan ske självständigt, förutom under mycket speciella förhållanden. Det kan med andra ord inte hända att en atom spontant släpper en elektron utan vidare, och att denna elektron så att säga förblir ”svävande runt”. Detta inträffar endast under mycket energiska förhållanden, som i plasma, eller när ett material bombarderas med någon typ av högenergistrålning. Följaktligen kan oxidationsreaktioner endast inträffa om en annan art samtidigt kan ta emot de frigjorda elektronerna.
Med tanke på detta kan oxidation och reduktion inte betraktas som kemiska reaktioner i sig, utan är snarare två halvor av samma process, varför de kallas halvreaktioner eller halvreaktioner, även om den senare Termen används sällan i den spanska kemiska litteraturen.
Halvreaktionsmetoden för att justera redoxreaktioner
Därefter kommer stegen för att balansera ekvationen för en redoxreaktion med elektronjonmetoden eller halvreaktionsmetoden att beskrivas.
Det bör noteras att denna metod tillåter två varianter beroende på om reaktionen utförs i ett surt medium eller i ett basiskt medium. I mycket av litteraturen beskrivs dessa två metoder separat, efter något olika steg under olika stadier av processen. En redoxjusterad reaktion i ett surt medium kan dock enkelt omvandlas till ett basiskt medium med hjälp av tre mycket enkla steg. Av denna anledning tycker vi att det är bekvämare att lära sig hur man sätter upp reaktioner i ett surt medium (vilket är lättare) och sedan omvandla det till ett basiskt medium om det behövs.
För att illustrera denna process kommer vi att passa följande redoxreaktion som sker i ett grundläggande medium:
Steg 0 (valfritt): Dissociera alla lösta joniska arter för att erhålla joniska ekvationen
Justeringsprocessen med elektronjonmetoden är mycket enklare om alla åskådarjoner exkluderas från halvreaktionerna, det vill säga alla de joner som inte är direkt involverade i oxidationen eller reduktionen men som ändå är närvarande i reaktionen. del av de ursprungliga jonföreningarna.
Det första steget i att göra det är att dissociera alla lösta joniska arter, det vill säga salter, syror och baser. De joner som visas på båda sidor av ekvationen helt oförändrade kommer att vara åskådarjonerna. I fallet med vårt exempel kommer joniska ekvationen att vara så här:
Om man tittar på denna ekvation är det tydligt att kaliumkatjonen inte är involverad i reaktionen och därför är en åskådarjon. Sedan kommer nettojonekvationen som vi kommer att justera, efter att ha eliminerat denna jon, vara:
Detta steg är inte alltid nödvändigt, eftersom vi i vissa fall utgår direkt från nettojonekvationen (den i vilken åskådarjonerna inte längre är närvarande), och i andra är ekvationen så enkel att närvaron av dessa joner inte störa reaktionsjusteringsprocessen.
Steg 1: Identifiera arterna som oxideras och reduceras.
Nästa steg innebär att bestämma oxidationstillståndet för alla atomer som finns i den kemiska ekvationen, för att veta vilka atomer som genomgick en förändring i oxidationstillstånd. Det måste nödvändigtvis finnas minst en atom som är oxiderad och en som är reducerad, och det kan till och med vara samma atom (i vilket fall vi är i närvaro av en viss typ av redoxreaktion som kallas dismutation).
Det är inte syftet med denna artikel att ge en fullständig förklaring om hur man bestämmer oxidationstillstånden, men låt oss komma ihåg som grundläggande regler att:
- Elementära ämnen har oxidationstillstånd 0.
- Oxidationstillståndet för monoatomiska katjoner och anjoner motsvarar deras laddning.
- I alla oxider och oxyanjoner har syre -2 oxidationstillstånd.
- Med undantag för hydrider, där dess oxidationstillstånd är -1, har väte alltid ett +1 oxidationstillstånd i alla föreningar som det är en del av.
- De andra oxidationstillstånden beräknas på ett sådant sätt att summan av alla oxidationstillstånd matchar nettoladdningen av arten i fråga.
Följande ekvation presenterar oxidationstillstånden för alla arter som är involverade i vårt exempel:
Som vi kan se är atomerna som ändrar oxidationstillstånd mangan och jod. Manganet i permanganatjonen reduceras från +7 till +4 medan jodiden oxideras till elementärt jod, och går från -1 till 0 oxidationstillstånd.
Steg 2: Separera den totala reaktionen i oxidations- och reduktionshalvreaktioner.
Nu när vi vet vilka arter som oxideras och reduceras kan vi dela upp den totala reaktionen i två halvreaktioner:
Observera att eftersom hydroxidjoner inte är direkt involverade i oxidations- eller reduktionsprocessen, ingick de inte i någon av halvreaktionerna.
Steg 3: Utjämna de två halvreaktionerna separat som om de var i ett surt medium.
Som förklarats i början, oavsett om reaktionen sker i ett surt medium eller om den är basisk, kommer vi att börja justera den som om den inträffade i ett surt medium. Senare, om det behövs, kommer det att omvandlas till ett grundläggande medium. Justeringen av halvreaktionerna i surt medium består av följande 5 steg, som kan tillämpas samtidigt på båda halvreaktionerna:
- Justera antalet atomer som ändrar oxidationstillstånd.
I vårt fall orsakar reduktionen ingen förändring, eftersom det finns en mangan på varje sida, men oxidationen gör:
- Justera för allt annat än syre eller väte, lägg till åskådarjoner om det behövs.
I vårt exempel är detta inte nödvändigt, eftersom vi tar bort alla åskådarjoner i början.
- Justera antalet syre genom att lägga till vattenmolekyler där de saknas.
I vårt fall är det nödvändigt att justera antalet syre i reduktionshalvreaktionen, men inte i oxidationen:
- Justera antalet väten genom att lägga till protoner (H + ) där de saknas:
Återigen förblir oxidationen oförändrad eftersom den inte involverar väteatomer, men i reduktionen behöver vi justera dem:
- Justera den totala elektriska laddningen genom att lägga till elektroner (e – ) där det saknas negativa laddningar eller överskott av positiva laddningar (Tips: de är nästan alltid på samma sida som protonerna):
Som man kan se är nettoladdningen på produkterna i reduktionshalvreaktionen 0, men på reaktanterna finns en nettoladdning på +4 – 1 = +3, det vill säga det finns överskott av positiva laddningar. Av denna anledning måste vi lägga till tre elektroner på sidan av reaktanterna för att kompensera för denna överladdning:
Å andra sidan, vid oxidation, finns det en nettoladdning på -2 på reaktantsidan och 0 på produkterna, så det finns inga negativa laddningar på produkterna, så 2 elektroner måste läggas till på denna sida för att balansera avgifterna:
Ledtråd
Det bör noteras att tillsatsen av elektroner genom detta förfarande (att behandla dem som om de vore joner, därav namnet på jon-elektronmetoden) görs oberoende av oxidationstillstånden för de olika arterna som är involverade. Det är dock viktigt att antalet elektroner och deras placering matchar de observerade förändringarna i oxidationstillstånd.
Således, i reduktionshalvreaktioner måste elektroner alltid vara på vänster sida av ekvationen och vid oxidationer måste de alltid vara på höger sida, som hände i vårt exempel.
Dessutom måste antalet elektroner matcha förändringen i oxidationstillståndet. Mangan reduceras från +7 till +4, så det finns en -3 förändring i dess oxidationstillstånd, i överensstämmelse med tillsatsen av 3 elektroner. När det gäller jodid ändras detta från -1 till 0 motsvarande en förändring på +1, men det finns två jodider, så två elektroner frigörs istället för en, som presenteras i respektive ekvation.
Steg 4: Multiplicera varje halvreaktion med antalet elektroner i den andra, förenkla faktorerna om möjligt.
Detta steg syftar till att jämna ut antalet elektroner som frigörs under oxidation med antalet elektroner som fångas genom reduktion. Detta säkerställer att det inte finns några ”föräldralösa” elektroner i slutet av reaktionen eller att inga elektroner saknas. Om båda halvreaktionerna släpper eller tar upp samma antal elektroner är detta steg inte nödvändigt.
I vårt exempel frigör varje oxidationshalvreaktion 2 elektroner, men varje reduktionshalvreaktion kräver 3, så oxidation måste ske 3 gånger för varje 2 gånger reduktion inträffar:
Resultatet är:
Steg 5: Lägg till båda halvreaktionerna för att få den balanserade nettojonekvationen.
Summan av dessa två halvreaktioner resulterar i den justerade nettojonekvationen i ett surt medium:
Steg 6 (endast för basiskt medium): Konvertera det sura mediet till ett basiskt medium.
I slutet av steg 5 har vi redan den justerade nettojonekvationen i ett surt medium. Emellertid kan reaktionen ske i ett basiskt snarare än ett surt medium. Om så är fallet måste den föregående ekvationen omvandlas till ett basmedium. Detta görs genom tre enkla steg:
- Lägg till en hydroxidjon (OH – ) till varje sida av ekvationen för varje närvarande proton (H + ).
I vårt fall måste 8 hydroxidjoner tillsättas från varje sida:
- Kombinera hydroxider och protoner som finns på samma sida för att bilda vattenmolekyler.
I vårt fall finns det i reaktanterna 8 hydroxider och 8 protoner som neutraliseras för att bilda 8 vattenmolekyler:
- Om det behövs, förenkla vattenmolekylerna som upprepas på båda sidor av ekvationen.
Detta sista steg resulterar i den balanserade nettojonekvationen i basmedium. När det gäller reaktionen som vi justerar, efter att ha bildats de 8 vattenmolekylerna, kan vi märka att endast fyra av dessa åtta faktiskt deltar i reaktionen, eftersom de andra fyra förblir oförändrade i produkterna. Att förenkla dessa fyra upprepade vattenmolekyler ger den justerade redoxekvationen:
Steg 7 (valfritt): Lägg till åskådarjonerna för att få den övergripande molekylära ekvationen
Detta steg är inte alltid nödvändigt, eftersom nettojonekvationen är en mer exakt representation av den kemiska process som faktiskt sker. Det kan dock vara viktigt för att utföra stökiometriska beräkningar. I denna mening, om du vill få den globala molekylära ekvationen, behöver du bara lägga till åskådarjonerna som motjoner av alla arter som förekommer i nettojonekvationen.
I det aktuella exemplet är den enda åskådarjonen kaliumkatjonen (K + ), så vi kommer att använda den för att neutralisera alla anjoner som finns i reaktionen:
Slutligen, efter att ha förenat respektive joner, får vi den justerade ekvationen endast i termer av neutrala arter:
Referenser
Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Chemistry (11:e upplagan). McGraw-Hill Interamericana de España SL
Generalic, E. (2021, 22 januari). Balansering av redoxreaktioner med jon-elektronmetoden . periodni.com. https://www.periodni.com/en/method_of_semi-reactions.php
Lavado S., A., & Yenque D., JA (2005). Enhetlig procedur för att balansera redoxreaktioner med hjälp av jonelektronmetoden . Redalyc. https://www.redalyc.org/pdf/816/81680214.pdf
