การปรับปฏิกิริยารีดอกซ์ด้วยวิธีครึ่งปฏิกิริยาหรืออิเล็กตรอนไอออน

ปฏิกิริยารีดอกซ์หรือ ปฏิกิริยารีดักชันออกไซด์เป็นกระบวนการทางเคมีที่การถ่ายโอนอิเล็กตรอนสุทธิเกิดขึ้นจากสารเคมีชนิดหนึ่งที่ถูกออกซิไดซ์ไปยังอีกชนิดหนึ่งที่ถูกรีดิวซ์ ปฏิกิริยาประเภทนี้ปรับได้ยากด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม เช่น การลองผิดลองถูก ดังนั้นวิธีการทางเลือกจึงได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่ออำนวยความสะดวกในกระบวนการนี้ หนึ่งในวิธีเหล่านี้คือวิธีครึ่งปฏิกิริยา หรือที่เรียกว่าวิธีอิเลคตรอนไอออน

ปฏิกิริยาครึ่งปฏิกิริยาหรืออิเลคตรอนไอออนมีวิธีการอย่างไร?

วิธีครึ่งปฏิกิริยาประกอบด้วยชุดของขั้นตอนที่ต้องปฏิบัติตามเพื่อปรับสมดุลหรือปรับสมการของปฏิกิริยารีดอกซ์ วิธีนี้ขึ้นอยู่กับแนวคิดที่ว่ากระบวนการรีดอกซ์ประกอบด้วยการควบรวมของสองกระบวนการที่สามารถพิจารณาแยกกันได้ ซึ่งได้แก่ ออกซิเดชันและรีดักชัน

ในวิธีครึ่งปฏิกิริยาหรือวิธีของอิเลคตรอนไอออน สมการของปฏิกิริยาออกซิเดชันและครึ่งปฏิกิริยารีดักชันจะถูกปรับแยกจากกันเพื่อรวมสมการทั้งสองในสมการโลกที่สมดุลอยู่แล้วในภายหลัง

ครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน

ออกซิเดชัน เป็นกระบวนการทางเคมีที่อะตอมหรือกลุ่มของอะตอมสูญเสียหรือปล่อยอิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป กระบวนการนี้จำเป็นต้องแสดงถึงการเพิ่มขึ้นของสถานะออกซิเดชันของอะตอมบางส่วนที่ประกอบเป็นสปีชีส์ดั้งเดิม

ในทางกลับกัน การลดลงเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นกระบวนการที่ตรงกันข้ามกับการเกิดออกซิเดชัน การรีดักชันคือกระบวนการทางเคมีระหว่างที่สารเคมีชนิดหนึ่งได้รับอิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น สถานะออกซิเดชันของอะตอมบางส่วนที่ประกอบกันเป็นสารเคมีชนิดนี้จะลดลง เนื่องจากได้รับอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ

สองครึ่งหนึ่งของกระบวนการเดียวกัน

อิเล็กตรอนอิสระเป็นสปีชีส์ที่ไม่เสถียรอย่างยิ่ง ดังนั้นปฏิกิริยาออกซิเดชันจึงเป็นกระบวนการที่ไม่สามารถเกิดขึ้นอย่างอิสระ ยกเว้นภายใต้เงื่อนไขเฉพาะเจาะจง กล่าวอีกนัยหนึ่ง เป็นไปไม่ได้ที่อะตอมจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาโดยธรรมชาติโดยปราศจากความกังวลใจอีกต่อไป และอิเล็กตรอนนี้ยังคงอยู่ ซึ่งก็คือว่า “ล่องลอยไปรอบๆ” สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเฉพาะในสภาวะที่มีพลังงานสูง เช่น ในพลาสมา หรือเมื่อวัสดุถูกระดมยิงด้วยรังสีพลังงานสูงบางประเภท ดังนั้น ปฏิกิริยาออกซิเดชันจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีสปีชีส์อื่นที่สามารถรับอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาในเวลาเดียวกันได้

ในมุมมองนี้ ปฏิกิริยาออกซิเดชันและการลดลงไม่สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นปฏิกิริยาเคมีในตัวเอง แต่เป็นสองส่วนของกระบวนการเดียวกัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเรียกว่าปฏิกิริยาครึ่งเดียวหรือครึ่งปฏิกิริยา แม้ว่าคำหลังจะไม่ค่อยใช้ใน วรรณกรรมเคมีของสเปน

วิธีครึ่งปฏิกิริยาเพื่อปรับปฏิกิริยารีดอกซ์

ต่อไปจะอธิบายขั้นตอนในการดุลสมการของปฏิกิริยารีดอกซ์ด้วยวิธีอิเลคตรอนไอออนหรือวิธีครึ่งปฏิกิริยา

ควรสังเกตว่าวิธีนี้ยอมรับสองตัวแปรขึ้นอยู่กับว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นกรดหรือในตัวกลางที่เป็นพื้นฐาน ในเอกสารส่วนใหญ่ วิธีการทั้งสองนี้มีรายละเอียดแยกจากกัน โดยทำตามขั้นตอนที่แตกต่างกันเล็กน้อยในระหว่างขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการ อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาที่ปรับรีดอกซ์ในตัวกลางที่เป็นกรดสามารถเปลี่ยนเป็นตัวกลางพื้นฐานได้อย่างง่ายดายด้วยขั้นตอนง่ายๆ สามขั้นตอน ด้วยเหตุผลนี้ เราคิดว่ามันสะดวกกว่าที่จะเรียนรู้วิธีสร้างปฏิกิริยาในตัวกลางที่เป็นกรด (ซึ่งง่ายกว่า) แล้วจึงเปลี่ยนเป็นตัวกลางพื้นฐานหากจำเป็น

เพื่อแสดงให้เห็นกระบวนการนี้ เราจะแสดงปฏิกิริยารีดอกซ์ต่อไปนี้ซึ่งเกิดขึ้นในสื่อพื้นฐาน:

ขั้นตอนที่ 0 (ไม่บังคับ): แยกสปีชีส์ไอออนิกที่ละลายทั้งหมดเพื่อให้ได้สมการไอออนิก

กระบวนการปรับสภาพโดยวิธีอิเลคตรอนไอออนจะง่ายกว่ามากหากไม่รวมอิออนของสเปกตรัมทั้งหมดจากครึ่งปฏิกิริยา นั่นคือ ไอออนทั้งหมดที่ไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงกับปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือการรีดักชันแต่ยังคงมีอยู่ในปฏิกิริยา สารละลาย และรูปแบบ ส่วนหนึ่งของสารประกอบไอออนิกดั้งเดิม

ขั้นตอนแรกในการทำเช่นนั้นคือการแยกสปีชีส์ไอออนิกที่ละลายน้ำทั้งหมด นั่นคือ เกลือ กรด และเบส ไอออนเหล่านั้นที่ปรากฏทั้งสองด้านของสมการที่ไม่เปลี่ยนแปลงเลยจะเป็นไอออนของผู้ชม ในกรณีตัวอย่างของเรา สมการไอออนิกจะเป็นดังนี้:

เมื่อพิจารณาจากสมการนี้ เป็นที่ชัดเจนว่าโพแทสเซียมไอออนบวกไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา ดังนั้นจึงเป็นไอออนสเปกเตอร์ จากนั้นสมการไอออนิกสุทธิที่เราจะปรับหลังจากกำจัดไอออนนี้แล้วจะเป็น:

ขั้นตอนนี้ไม่จำเป็นเสมอไป เนื่องจากในบางกรณีเราเริ่มต้นโดยตรงจากสมการไอออนิกสุทธิ (สมการที่ไม่มีไอออนของผู้ชม) และในสมการอื่นๆ สมการนั้นง่ายมากจนไม่มีไอออนเหล่านี้ รบกวนกระบวนการปรับปฏิกิริยา

ขั้นตอนที่ 1: ระบุสปีชีส์ที่ถูกออกซิไดซ์และรีดิวซ์

ขั้นตอนต่อไปเกี่ยวข้องกับการพิจารณาสถานะออกซิเดชันของอะตอมทั้งหมดที่มีอยู่ในสมการเคมี เพื่อที่จะทราบว่าอะตอมใดมีการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชัน ต้องมีอย่างน้อยหนึ่งอะตอมที่ถูกออกซิไดซ์และอีกอะตอมที่ถูกรีดิวซ์ และมันอาจเป็นอะตอมเดียวกันด้วยซ้ำ (ซึ่งในกรณีนี้เราอยู่ในสถานะของปฏิกิริยารีดอกซ์ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ดิสมิวเทชัน)

บทความนี้ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อให้คำอธิบายที่สมบูรณ์เกี่ยวกับวิธีการระบุสถานะออกซิเดชัน แต่ขอให้จำไว้เป็นกฎพื้นฐานที่:

• สารที่เป็นธาตุมีสถานะออกซิเดชัน 0
• สถานะออกซิเดชันของไอออนบวกและประจุลบเชิงเดี่ยวจะสอดคล้องกับประจุของพวกมัน
• ในออกไซด์และออกซีเนียนทั้งหมด ออกซิเจนมีสถานะออกซิเดชัน -2
• ยกเว้นไฮไดรด์ที่สถานะออกซิเดชันคือ -1 ไฮโดรเจนจะมีสถานะออกซิเดชัน +1 เสมอในสารประกอบทั้งหมดที่มันเป็นส่วนหนึ่ง
• สถานะออกซิเดชันอื่นๆ คำนวณในลักษณะที่ผลรวมของสถานะออกซิเดชันทั้งหมดตรงกับประจุสุทธิของสปีชีส์ดังกล่าว

สมการต่อไปนี้แสดงสถานะออกซิเดชันของสปีชีส์ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องในตัวอย่างของเรา:

อย่างที่เราเห็น อะตอมที่เปลี่ยนสถานะออกซิเดชันคือแมงกานีสและไอโอดีน แมงกานีสในเปอร์แมงกาเนตไอออนจะลดลงจาก +7 เป็น +4 ในขณะที่ไอโอไดด์ถูกออกซิไดซ์เป็นธาตุไอโอดีน โดยเปลี่ยนจาก -1 เป็น 0 สถานะออกซิเดชัน

ขั้นตอนที่ 2: แยกปฏิกิริยาโดยรวมออกเป็นครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน

ตอนนี้เราทราบแล้วว่าสปีชีส์ใดถูกออกซิไดซ์และรีดิวซ์แล้ว เราสามารถแบ่งปฏิกิริยาโดยรวมออกเป็นสองครึ่งปฏิกิริยา:

โปรดทราบว่าเนื่องจากไฮดรอกไซด์ไอออนไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงกับกระบวนการออกซิเดชันหรือรีดักชัน จึงไม่รวมอยู่ในครึ่งปฏิกิริยาใดๆ

ขั้นตอนที่ 3: แยกครึ่งปฏิกิริยาทั้งสองออกจากกันราวกับว่าพวกมันอยู่ในตัวกลางที่เป็นกรด

ตามที่ได้อธิบายไปในตอนต้น ไม่ว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นกรดหรือตัวกลางที่เป็นกรด เราจะเริ่มปรับปฏิกิริยาเหมือนกับว่าเกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นกรด หลังจากนั้นหากจำเป็นก็จะเปลี่ยนเป็นสื่อพื้นฐาน การปรับครึ่งปฏิกิริยาในตัวกลางที่เป็นกรดประกอบด้วย 5 ขั้นตอนต่อไปนี้ ซึ่งสามารถนำไปใช้พร้อมกันกับครึ่งปฏิกิริยาทั้งสองได้:

• ปรับจำนวนอะตอมที่เปลี่ยนสถานะออกซิเดชัน

ในกรณีของเรา การลดลงจะไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ เนื่องจากแต่ละด้านมีแมงกานีสหนึ่งตัว แต่ปฏิกิริยาออกซิเดชันจะทำให้:

• ปรับสำหรับสิ่งอื่นที่ไม่ใช่ออกซิเจนหรือไฮโดรเจน เพิ่มไอออนของผู้ชมหากจำเป็น

ในตัวอย่างของเรา สิ่งนี้ไม่จำเป็น เนื่องจากเราลบไอออนของผู้ชมทั้งหมดตั้งแต่เริ่มต้น

• ปรับจำนวนออกซิเจนโดยการเพิ่มโมเลกุลของน้ำในส่วนที่ขาดหายไป

ในกรณีของเรา จำเป็นต้องปรับจำนวนออกซิเจนในครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน แต่ไม่ใช่ในปฏิกิริยาออกซิเดชัน:

• ปรับจำนวนไฮโดรเจนโดยการเพิ่มโปรตอน (H ⁺ ) ในจุดที่ขาดหายไป:

อีกครั้ง การออกซิเดชันยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากไม่เกี่ยวข้องกับอะตอมของไฮโดรเจน แต่ในการลดลง เราจำเป็นต้องปรับเปลี่ยน:

• ปรับประจุไฟฟ้าทั้งหมดโดยการเพิ่มอิเล็กตรอน (e ^– ) ซึ่งไม่มีประจุลบหรือประจุบวกส่วนเกิน (เคล็ดลับ: พวกมันมักจะอยู่ด้านเดียวกับโปรตอน):

ดังที่เห็นได้ในการลดลงครึ่งปฏิกิริยาประจุสุทธิของผลิตภัณฑ์คือ 0 แต่บนสารตั้งต้นมีประจุสุทธิ +4 – 1 = +3 นั่นคือมีประจุบวกส่วนเกิน ด้วยเหตุผลนี้ เราต้องเพิ่มอิเล็กตรอนสามตัวที่ด้านข้างของสารตั้งต้นเพื่อชดเชยประจุส่วนเกินนี้:

ในทางกลับกัน ในกรณีของการเกิดออกซิเดชัน จะมีประจุสุทธิเป็น –2 ทางด้านสารตั้งต้นและ 0 ในด้านผลิตภัณฑ์ ดังนั้นจึงไม่มีประจุลบในผลิตภัณฑ์ ดังนั้นจึงต้องเพิ่มอิเล็กตรอน 2 ตัวที่ด้านนี้เพื่อให้สมดุล ค่าใช้จ่าย:

เบาะแส

ควรสังเกตว่าการเติมอิเล็กตรอนด้วยวิธีนี้ (ปฏิบัติต่อพวกมันราวกับว่าพวกมันเป็นไอออน ดังนั้นชื่อของวิธีอิออน-อิเล็กตรอน) กระทำโดยไม่ขึ้นกับสถานะออกซิเดชันของสปีชีส์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง อย่างไรก็ตาม จำเป็นอย่างยิ่งที่จำนวนอิเล็กตรอนและตำแหน่งของอิเล็กตรอนจะต้องตรงกับการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ในสถานะออกซิเดชัน

ดังนั้น ในครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน อิเล็กตรอนจะต้องอยู่ทางด้านซ้ายของสมการเสมอ และในการออกซิเดชัน อิเล็กตรอนจะต้องอยู่ทางด้านขวาเสมอ ดังที่เกิดขึ้นในตัวอย่างของเรา

นอกจากนี้ จำนวนอิเล็กตรอนจะต้องตรงกับการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชัน แมงกานีสจะลดลงจาก +7 เป็น +4 ดังนั้นจึงมีการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชัน -3 ซึ่งสอดคล้องกับการเพิ่มอิเล็กตรอน 3 ตัว ในกรณีของไอโอไดด์ สิ่งนี้จะเปลี่ยนจาก -1 เป็น 0 ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของ +1 แต่มีไอโอไดด์สองตัว ดังนั้นอิเล็กตรอนสองตัวจึงถูกปลดปล่อยออกมาแทนที่จะเป็นหนึ่งตัว ดังที่แสดงในสมการที่เกี่ยวข้อง

ขั้นตอนที่ 4: คูณแต่ละครึ่งปฏิกิริยาด้วยจำนวนอิเล็กตรอนในอีกอันหนึ่ง ทำให้ปัจจัยต่างๆ ง่ายขึ้นหากเป็นไปได้

ขั้นตอนนี้พยายามทำให้จำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเกิดออกซิเดชันเท่ากันกับจำนวนอิเล็กตรอนที่จับได้จากการลดลง เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีอิเล็กตรอน “กำพร้า” ที่ส่วนท้ายของปฏิกิริยาหรือไม่มีอิเล็กตรอนหายไป หากทั้งสองปฏิกิริยาปล่อยหรือรับจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน ขั้นตอนนี้ไม่จำเป็น

ในตัวอย่างของเรา แต่ละครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชันจะปล่อยอิเล็กตรอน 2 ตัว แต่ปฏิกิริยาครึ่งหนึ่งของการลดลงแต่ละครั้งต้องการ 3 ตัว ดังนั้น ปฏิกิริยาออกซิเดชันจึงจำเป็นต้องเกิดขึ้น 3 ครั้งสำหรับทุกๆ 2 ครั้งที่เกิดการรีดักชัน:

ผลลัพธ์คือ:

ขั้นตอนที่ 5: เพิ่มทั้งสองครึ่งปฏิกิริยาเพื่อให้ได้สมการไอออนิกสุทธิที่สมดุล

ผลรวมของครึ่งปฏิกิริยาทั้งสองนี้ส่งผลให้สมการไอออนิกสุทธิที่ปรับแล้วในตัวกลางที่เป็นกรด:

ขั้นตอนที่ 6 (สำหรับสื่อพื้นฐานเท่านั้น): แปลงสื่อที่เป็นกรดให้เป็นสื่อพื้นฐาน

ในตอนท้ายของขั้นตอนที่ 5 เรามีสมการไอออนิกสุทธิที่ปรับแล้วในตัวกลางที่เป็นกรด อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาอาจเกิดขึ้นในสารพื้นฐานมากกว่าสารที่เป็นกรด หากเป็นกรณีนี้ สมการก่อนหน้าจะต้องแปลงเป็นสื่อพื้นฐาน ทำได้ผ่านสามขั้นตอนง่ายๆ:

• เพิ่มหนึ่งไฮดรอกไซด์ไอออน (OH ^– ) ในแต่ละด้านของสมการสำหรับแต่ละโปรตอน (H ⁺ ) ที่มีอยู่

ในกรณีของเรา ต้องเติมไฮดรอกไซด์ไอออน 8 ไอออนจากแต่ละด้าน:

• รวมไฮดรอกไซด์และโปรตอนที่อยู่ด้านเดียวกันเพื่อสร้างโมเลกุลของน้ำ

ในกรณีของเรา สารตั้งต้นมีไฮดรอกไซด์ 8 ตัวและโปรตอน 8 ตัวที่ถูกทำให้เป็นกลางเพื่อสร้างโมเลกุลของน้ำ 8 ตัว:

• หากจำเป็น ให้ลดความซับซ้อนของโมเลกุลของน้ำที่ทำซ้ำทั้งสองด้านของสมการ

ขั้นตอนสุดท้ายนี้ส่งผลให้สมการไอออนิกสุทธิที่สมดุลในตัวกลางพื้นฐาน ในกรณีของปฏิกิริยาที่เรากำลังปรับ หลังจากที่สร้างโมเลกุลของน้ำทั้ง 8 โมเลกุลแล้ว เราจะสังเกตได้ว่ามีเพียง 4 ใน 8 โมเลกุลเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยานี้ เนื่องจากอีก 4 โมเลกุลที่เหลือยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในผลิตภัณฑ์ การลดความซับซ้อนของโมเลกุลของน้ำที่ซ้ำกันทั้งสี่นี้ให้สมการรีดอกซ์ที่ปรับแล้ว:

ขั้นตอนที่ 7 (ทางเลือก): เพิ่มสเปกเตอร์ไอออนเพื่อให้ได้สมการโมเลกุลโดยรวม

ขั้นตอนนี้ไม่จำเป็นเสมอไป เนื่องจากสมการไอออนิกสุทธิจะแสดงกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นจริงได้แม่นยำกว่า อย่างไรก็ตาม อาจมีความสำคัญสำหรับการคำนวณปริมาณสารสัมพันธ์ ในแง่นี้ หากคุณต้องการได้รับสมการโมเลกุลทั่วโลก คุณเพียงแค่เพิ่มไอออนของสเปกตรัมเป็นประจุลบของสปีชีส์ทั้งหมดที่ปรากฏในสมการไอออนิกสุทธิ

ในตัวอย่างปัจจุบัน ไอออนสเปกเตอร์เพียงอย่างเดียวคือโพแทสเซียมไอออนบวก (K ⁺ ) ดังนั้นเราจะใช้ไอออนเพื่อทำให้ไอออนทั้งหมดที่มีอยู่ในปฏิกิริยาเป็นกลาง:

ในที่สุด หลังจากรวมไอออนที่เกี่ยวข้องเข้าด้วยกัน เราได้รับสมการที่ปรับแล้วในแง่ของสปีชีส์ที่เป็นกลางเท่านั้น:

อ้างอิง

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). เคมี (ฉบับที่ 11) McGraw-Hill Interamericana de España SL

Generalic, E. (2021, 22 มกราคม). การดุล ปฏิกิริยารีดอกซ์โดยวิธีไอออน-อิเล็กตรอน periodni.com. https://www.periodni.com/th/method_of_semi-reactions.php

Lavado S., A., & Yenque D., JA (2005) ขั้นตอนแบบครบวงจรเพื่อปรับสมดุลปฏิกิริยารีดอกซ์โดยใช้วิธีอิออน-อิเลคตรอน เรดไลซี https://www.redalyc.org/pdf/816/81680214.pdf