Χηµικές Εξισώσεις Οξειδοαναγωγικών Αντιδράσεων

Transcript

1 Χηµικές Εξισώσεις Οξειδοαναγωγικών Αντιδράσεων Θεµελιώδη δεδοµένα Η οξείδωση και η αναγωγή επιτελούνται ταυτόχρονα Το οξειδωτικό αντιδρά µε το αναγωγικό σε ισοδύναµες ποσότητες Ισοστάθµιση (εύρεση των συντελεστών των χηµικών εξισώσεων) γίνεται µε: Μέθοδο ηµιαντιδράσεων Μέθοδο αριθµού οξειδώσεως Μέθοδος Ηµιαντιδράσεων ή ηµιστοιχείων Η οξειδοαναγωγική αντίδραση χωρίζεται σε δύο ηµιαντιδράσεις: Ηµιαντίδραση αναγωγής Ηµιαντίδραση οξείδωσης Γράφεται µερική εξίσωση για κάθε ηµιαντίδραση Η µέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι ο αριθµός ηλεκτρονίων που παρέχονται από το αναγωγικό ισούται µε αριθµό ηλεκτρονίων που προσλαµβάνεται από οξειδωτικό. Η µέθοδος χρησιµοποιείται κυρίως για ιοντικές αντιδράσεις Πλεονεκτεί έναντι της µεθόδου του αριθµού Οξειδώσεως γιατί: Τονίζει τον ιοντικό χαρακτήρα των αντιδράσεων και το ρόλο του διαλυτικού µέσου Αποφεύγει τη χρήση τύπων, που ενδεχοµένως να µην αντιπροσωπεύουν πραγµατικές χηµικές ουσίες Πολλές φορές παρέχει και το µηχανισµό αντίδρασης εν απαιτούνται αυθαίρετες παραδοχές για την κατάσταση οξειδώσεως ατόµων στα ιόντα ή µόρια Στάδια Μεθόδου Ηµιαντιδράσεων 1. Αναγραφή ελλιπών µερικών εξισώσεων ηµιαντιδράσεων αναγωγής και οξειδώσεως 2. Ισοστάθµιση καθεµιάς από τις µερικές εξισώσεις από την άποψη µάζας 3. Ισοστάθµιση καθεµιάς από τις µερικές εξισώσεις από την άποψη ηλεκτρικών φορτίων, µε προσθήκη ηλεκτρονίων για να εξισωθούν τα ιοντικά φορτία Πληροφορίες από πίνακες κανονικών δυναµικών αναγωγής 4. Πολλαπλασιασµός ισοσταθµισµένης µερικής εξισώσεως ηµιαντιδράσεως αναγωγής επί τον αριθµό των ηλεκτρονίων της ηµιαντίδρασης οξειδώσεως και της ισοσταθµισµένης µερικής εξισώσεως ηµιαντίδρασης οξειδώσεως επί τον αριθµό ηλεκτρονίων της ηµιαντίδρασης αναγωγής - Για απλοποίηση, όταν υπάρχει κοινός διαιρέτης µεταξύ των δύο πολλαπλασιαστών, αυτοί διαιρούνται µε αυτόν. 5. Άθροιση των δύο µερικών εξισώσεων, που προέκυψαν, και αναγωγή οµοίων όρων.

2 6. Έλεγχο τελικής εξισώσεως: Αριθµός των ατόµων καθενός στοιχείου να είναι ίδιος και στα δύο µέλη Το αλγεβρικό άθροισµα των φορτίων να είναι το ίδιο και στα δύο µέλη. Οι αντιδράσεις γίνονται σε υδατικά διαλύµατα και περιέχουν, επιπλέον από τα ιόντα των οξειδωτικών και αναγωγικών: Μόρια Η 2 Ο Ιόντα Η + Ιόντα ΟΗ Χρησιµοποιούνται κατά την ισοστάθµιση µάζας των µερικών εξισώσεων Κανόνες µεθόδου ηµιαντιδράσεων Α) Σε όξινο διάλυµα: 1. Όταν το οξειδωτικό αποβάλλει άτοµα οξυγόνου, το ιόν Η + χρησιµοποιείται ως ένα από τα αντιδρώντα, ενώ το Η 2 Ο είναι ένα από τα προϊόντα, π.χ. Cr 2 O H + Ë 2Cr H 2 O 2. Όταν το αναγωγικό προσλαµβάνει άτοµα οξυγόνου, το Η 2 Ο χρησιµοποιείται ως ένα από τα αντιδρώντα, ενώ το ιόν Η + ως ένα από τα προϊόντα, π.χ. H 2 SO 3 + H 2 O Ë SO 4 + 4H + Β) Σε αλκαλικό διάλυµα: 1. Όταν το οξειδωτικό αποβάλλει άτοµα οξυγόνου, το Η 2 Ο χρησιµοποιείται ως ένα από τα αντιδρώντα, ενώ το ιόν ΟΗ- ως ένα από τα προϊόντα, π.χ. MnO 4 + 2H 2 O Ë MnO 2 + 4OH 2. Όταν το αναγωγικό προσλαµβάνει άτοµα οξυγόνου, το ιόν OH χρησιµοποιείται ως ένα από τα αντιδρώντα, ενώ το Η 2 Ο ως ένα από τα προϊόντα, π.χ. Cr OH Ë CrO 4 + 4H 2 O Έχει γίνει ισοστάθµιση µάζας αλλά όχι ισοστάθµιση φορτίων. ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 1 Να γραφεί η εξίσωση της αντιδράσεως µεταξύ διχρωµικού καλίου και θειώδους οξέος σε όξινο διάλυµα. Η ελλιπής µερική εξίσωση της αναγωγής των ιόντων Cr 2 O 7 (Cr 2 O 7 Cr 3+ ) είναι Cr 2 O H + +6e ¾ 2Cr H 2 O (αναγωγή) 2 () + 14 (+) = 12 (+) 6 (+) Άρα 6e και για την οξείδωση του H 2 SO 3 (H 2 SO 3 SO 4 ) H 2 SO 3 + Η 2 Ο Ë SO 4 + 4H + + 2e (οξείδωση) 4 (+)+ 2 () Αρα 2e

3 Οι ισοσταθµισµένες µερικές εξισώσεις των αντιδράσεων αναγωγής και οξειδώσεως πολλαπλασιάζονται επί 1 και 3, αντίστοιχα Έτσι προκύπτει Cr 2 O H + + 6e Ë 2Cr H 2 O 3H 2 SO 3 + 3Η 2 Ο Ë 3SO H + +6e Προσθέτοντας τις παραπάνω δύο εξισώσεις κατά µέλη και αναγωγή των όµοιων όρων λαµβάνεται η τελική εξίσωση Cr 2 O 7 + 3H 2 SO 3 +2H + Ë 2Cr SO 4 + 4H 2 O ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 2 Να γραφεί η εξίσωση της αναγωγής των νιτρικών ιόντων σε αµµωνία µε αργίλιο σε βασικό διάλυµα. Οι ελλιπείς εξισώσεις (NO 3 NH 3 και Al [Al(OH) 4 ] ) είναι: ΝΟ 3 + 6Η 2 Ο + 8e Ë NH ΟΗ Al + 4 ΟΗ Ë [Al(OH) 4 ] + 3e από τις οποίες: (ΝΟ 3 + 6Η 2 Ο + 8e Ë NH ΟΗ ) 3 (Al + 4 ΟΗ Ë [Al(OH) 4 ] + 3e ) 8 προκύπτει: 3 ΝΟ Η 2 Ο + 24e Ë 3NH ΟΗ 8Al + 32 ΟΗ Ë 8[Al(OH) 4 ] + 24 e Προσθέτοντας τις παραπάνω δύο εξισώσεις κατά µέλη και αναγωγή των όµοιων όρων λαµβάνεται η τελική εξίσωση 8Al + 3ΝΟ Η 2 Ο + 5 ΟΗ Ë 3NH 3 + 8[Al(OH) 4 ] Μέθοδος Αριθµού Οξειδώσεως Τα αντιδρώντα και τα προϊόντα της αντίδρασης αναγράφονται σε µια εξίσωση Η εξίσωση στη συνέχεια ισοσταθµίζεται από την άποψη µάζας και ηλεκτρικών φορτίων. Η µόνη µέθοδος για ισοστάθµιση εξισώσεων µοριακών αντιδράσεων

4 Εξίσου καλή χρήση για ιοντικές ατιδράσεις Στάδια Μεθόδου Αριθµού Οξειδώσεως (Α.Ο.) 1. Αναγραφή ελλιπούς εξισώσεως της αντίδρασης και των αριθµών οξειδώσεως των ατόµων που οξειδώνονται ή ανάγονται. 2. Καθορισµός του αριθµού: x των ηλεκτρονίων που προσλαµβάνονται από κάθε µόριο ή ιόν οξειδωτικού y των ηλεκτρονίων που αποβάλλονται από κάθε µόριο ή ιόν του αναγωγικού 3. Εύρεση των συντελεστών του οξειδωτικού και του αναγωγικού στην εξίσωση. Έστω x ο συντελεστής του αναγωγικού και y του οξειδωτικού. Εάν οι αριθµοί x και y έχουν κοινούς διαιρέτες, διαιρούνται µε το µέγιστο κοινό διαιρέτη για να βρεθούν µικρότεροι συντελεστές. 4. Ισοστάθµιση της εξίσωσης από την άποψη µάζας και ηλεκτρικών φορτίων: Χρήση Η + και Η 2 Ο, εάν το διάλυµα είναι όξινο Χρήση ΟΗ και Η 2 Ο, εάν το διάλυµα είναι αλκαλικό Κατά την ισοστάθµιση αυτή ο λόγος x/y πρέπει να παραµείνει αναλλοίωτος 5. Έλεγχος τελικής εξισώσεως ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 3 Να γραφεί η εξίσωση της αναγωγής των νιτρικών ιόντων σε αµµωνία µε αργίλιο σε βασικό διάλυµα σύµφωνα µε τον Α.Ο. Ν (+5) Ο 3 + Αl (0) Ë N (3) H 3 + [Al (+3) (OH) 4 ] 8e 3e 3ΝΟ 3 + 8Αl + 5 ΟΗ + 18Η 2 Ο Ë 3NH 3 + 8[Al(OH) 4 ] ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 4 ΟΗ CH 2 OHCH 2 OH + MnO 4 CO 2 + MnO 4 Αιθυλενογλυκόλη (1,2 αιθανοδιόλη) C (1) H 2 OHC (1) H 2 OH + Mn (+7) O 4 Ë C (+4) O 2 + Mn (+6) O ΟΗ Ë 2CO MnO 4 + 8H 2 O

5 2ος τρόπος Μετά την ισοστάθµιση όλων των ατόµων εκτός Ο, Η CH 2 OHCH 2 OH + 10 MnO 4 Ë 2CO MnO 4 Ισοστάθµιση µάζας Ο: + 2H 2 O Ë 2CO MnO 4 Ισοστάθµιση µάζας Η: + 2H 2 O + 10 ΟΗ Ë 2CO 2 +10MnO H 2 O + 10 ΟΗ Ë 2CO MnO 4 + 8H 2 O ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 5 Η+ BrO 3 + Cr 3+ Br + Cr 2 O 7 Br (+5) O 3 + Cr (3+) Ë Br (-1) + Cr (+6) 2O 7 Ηµιαντίδραση Αναγωγής BrO 3 Br Ηµιαντίδραση Οξείδωσης Cr 3+ Cr 2 O 7 Ηµιαντίδραση Αναγωγής BrO 3 Br BrO 3 + 6H + + 6e Ë Br + 3Η 2 Ο Ηµιαντίδραση Οξείδωσης Cr 3+ Cr 2 O 7 2Cr Η 2 Ο Ë Cr 2 O Η + + 6e (ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ) (ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ) Πρόσθεση κατά µέλη: BrO 3 + 6H + + 6e + 2Cr Η 2 Ο Ë Br + 3Η 2 Ο + Cr 2 O Η + + 6e BrO 3 + 2Cr Η 2 Ο Ë Br + Cr 2 O 7 + 8Η +

6 Εξισώσεις ηµιαντιδράσεων αναγωγής MnO 4 Ισχυρά όξινο διάλυµα ([Η+]>0,5Μ) Ασθενώς όξινο ή ουδέτερο διάλυµα Ασθενώς βασικό διάλυµα Ισχυρά βασικό διάλυµα ([ΟΗ ] 1Μ) MnO 4 + 8H + + 5e Ë Mn H 2 O MnO 4 + 4H + + 3e Ë MnO 2 + 2H 2 O πυρολουσίτης MnO 4 + 2H 2 O + 3e Ë MnO 2 + 4OH MnO 4 + e Ë MnO 4 µαγγανικά ιόντα ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 6 Nα γραφεί η αντίδραση οξειδοαναγωγής του K 2 Na[Co(NO 2 ) 6 ] µε MnO 4 σε ισχυρά όξινο διάλυµα Εξίσωση ηµιαντίδρασης οξείδωσης του K 2 Na[Co(NO 2 ) 6 ] K 2 Na[Co(NO 2 ) 6 ] + 6H 2 O Ë 2K + + Na + + Co NO H e Εξίσωση ηµιαντίδρασης αναγωγής των MnO 4 - σε ισχυρά όξινο διάλυµα + MnO 4 + 8H + + 5e Ë Mn H 2 O 5K 2 Na[Co(NO 2 ) 6 ] + 11MnO H + Ë 10K + + 5Na + + 5Co Mn NO H 2 O β τρόπος Σύµφωνα µε Α.Ο. K 2 Na[Co(NO 2 ) 6 ] + MnO 4 Ë K + + Na + + Co 2+ + NO 3 + Mn 2+ K 2 Na[Co (+3) (N (+3) O 2 ) 6 ] + Mn (+7) O 4 Ë K + + Na + + Co (+2) + N (+5) O Mn (+2) 1e 2e 5e K 2 Na[Co(NO 2 ) 6 ] + 11MnO Η + Ë 10K + + 5Na Co NO Mn H 2 O

7 Ισοστάθµιση - Εύρεση συντελεστών χηµικών εξισώσεων α) Μέθοδος αριθµού οξείδωσης Γράφουµε την ελλιπή εξίσωση που περιλαµβάνει τα αντιδρώντα και τα προϊόντα π.χ. αντίδραση PbS σε αραιό ΗΝΟ 3 (4Μ) PbS + H + + NO 3 Ë Pb 2+ + S + NO PbS (-2) + H + + N (+5) O 3 Ë Pb 2+ + S (0) + N (+2) O 3PbS + H + + 2NO 3 Ë 3Pb S + 2NO 3PbS + 8H + + 2NO 3 Ë 3Pb S + 2NO + 4Η 2 Ο ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ 7 Να συµπληρωθεί και να ισοσταθµιστεί η εξίσωση: [Ag(NH 3 ) 2 ] + + HCHO + OH Ë Ag + CO 3 2-4[Ag(NH 3 ) 2 ] + + HCHO + 6 OH Ë 4Ag + CO 3 + 8NH 3 + 4Η 2 Ο ( ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ Όλες σχεδόν οι θειούχες ενώσεις των οµάδων κατιόντων I, II, III διαλύονται σε αραιό HNO 3 (4Μ), όπως π.χ. PbS σχηµατίζοντας S από την οξείδωση των S 2-, NO από την αναγωγή των NO 3 - και τα αντίστοιχα κατιόντα. Εξαίρεση αποτελεί ο HgS ο οποίος δεν διαλύεται στο πυκνό HNO 3 ή στο πυκνό HCl χωριστά. ιαλύεται στο βασιλικό ύδωρ 1 λόγω συνδυασµού της οξειδωτικής δράσης του HNO 3 το οποίο οξειδώνει τα S 2- σε στοιχειακό S µε τη συµπλεκτική δράση του HCl το οποίο σχηµατίζει µε τα Hg 2+ σταθερά χλωριοσύµπλοκα [HgCl 4 ]. Αντίδραση HgS µε βασιλικό ύδωρ HgS + Η + + NO 3 + Cl - Ë [HgCl 4 ] + NO + S 3HgS (2) + Η + + 2N (+5) O 3 + Cl Ë [HgCl 4 ] + S (0) + N (+2) O 2e 3e 3HgS + 8Η + + 2NO Cl Ë 3[HgCl 4 ] + 3S + 2NO + 4Η 2 Ο 1 Μείγµα πυκνού HCl + πυκνού HNO 3 σε αναλογία όγκων 3:1. Επειδή το πυκνό HCl του εργαστηρίου έχει συγκέντρωση 12 M και το πυκνό HNO 3 έχει συγκέντρωση 16 M, χρησιµοποιείται αναλογία όγκων 4:1.