Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl

Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu www.szkolnictwo.pl mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

Ważne pojęcia

Stopień utlenienia Stopień utlenienia pierwiastka w dowolnym połączeniu chemicznym jest pojęciem umownym i określa ładunek, który istniałby na atomie tego pierwiastka, gdyby elektrony w każdym wiązaniu utworzonym przez dany atom należały do atomu bardziej elektroujemnego.

Utleniacz Utleniaczami są atomy, jony lub cząsteczki posiadające zdolność przyjmowania elektronów tzn. odbierania ich od innych atomów lub grup atomów, powodując w ten sposób ich utlenienie.

Utleniacze utleniając inne substancje, same ulegaja redukcji

Reduktor Reduktorami są atomy, jony lub cząsteczki posiadające zdolność oddawania elektronów innym atomom, jonom lub cząsteczkom, powodując redukcję tych substancji.

Reduktory w procesie redukcji same ulegają utlenieniu.

Utlenianie

(dezelektronacja)

Utlenianie to reakcja chemiczna, w której jakiś atom (lub ich grupa) przechodzi z niższego na wyższy stopień utlenienia

(oddaje elektrony).

Redukcja

( elektronacja)

Proces, w trakcie którego atom lub ich grupa przechodzi z wyższego na niższy stopień utlenienia.

Reakcjautleniania-redukcji( procesy redoksowe, reakcja redoks)

Reakcją utlenienia-redukcji nazywamy proces, w którym następuje wymiana elektronów między substancją utleniającą a substancją redukującą, na skutek czego atomy pierwiastków biorących udział w reakcji zmieniają swój stopień utlenienia.

Prawo zachowania ładunku

W układzie reagującym ilość elektronów pobranych i oddanych jest taka sama. Oznacza to, że procesowi utleniania zawsze towarzyszy proces redukcji.

Reakcje dysproporcjonowania (dysmutacji, autoredoksydacji, samoutlenienia - samoredukcji )

Pewien typ reakcji redoks, w którym utlenieniu i redukcji ulegają jednocześnie różne atomy tego samego pierwiastka, ten sam związek pełni role i utleniacza i

reduktora.

Reakcje

synproporcjonowania W reakcji synproporcjonowania produktem procesu utleniania i procesu redukcji jest ta sama substancja.

Stopień utlenienia

Stopień utlenienia pierwiastka w związku chemicznym podaje się za pomocą cyfry rzymskiej zapisanej nad symbolem pierwiastka (ujemny stopień utlenienia poprzedza się znakiem minus).

Zasady określania stopnia utlenienia:

1.Stopień utlenienia pierwiastków w stanie wolnym wynosi zawsze zero, niezależnie od liczby wiązań, jakie tworzą między sobą atomy.2.Suma stopni utlenienia w cząsteczce obojętnej równa jest zero, a w jonie złożonym równa jest ładunkowi tego jonu.3. Stopień utlenienia pierwiastka w prostym jednoatomowym jonie równy jest ładunkowi tego jonu.4. Tlen w związkach z reguły ma stopień utlenienia -II, z wyjątkiem związków, w których występuje wiązanie między dwoma atomami tlenu oraz z wyjątkiem związków z fluorem.5. Wodór w związkach z reguły ma stopień utlenienia I, z wyjątkiem wodorków metali i innych prostych związków z pierwiastkami mniej od niego elektroujemnymi, w których ma stopień utlenienia -I.6. Litowce w związkach mają zawsze stopień utlenienia I, a berylowce stopień utlenienia II. 7. Fluor w związkach ma zawsze stopień utlenienia -I. 8. Chlor w związkach z reguły ma stopień utlenienia -I, z wyjątkiem związków z fluorem i z tlenem.

Przykłady określania stopnia utlenienia pierwiastka w cząsteczce i jonie.

NH3

wodór: stopień utlenienia I ładunek cząsteczki 0 azot: x+3·(+1)= 0, x=-3azot: stopień utlenienia -III

HClO4

tlen: stopień utlenienia -2 wodór: stopień utlenienia +1ładunek cząsteczki 0x+4·(-2)+1=0, x=+7chlor: stopień utlenienia VII

Cr2O72-

tlen: stopień utlenienia -2ładunek cząsteczki -2 2x+7·(-2)= -2, x=+6chrom: stopień utlenienia VI

Na2S2O3

sód: stopień utlenienia +1tlen: stopień utlenienia -2 2x+2·(+1)+3·(-2)=0siarka: stopień utlenienia II

Należy pamiętać, że stopnie utlenienia są wielkościami umownymi i zależą od sposobu jak i reguł według których się je oblicza. Służą one jedynie do ″księgowania″ elektronów.

Metale

Chętniej oddają elektrony, dlatego najczęściej tworzą kationy i występują w związkach na dodatnim stopniu utlenienia.

Niemetale

Chętnie przyjmują elektrony tworząc aniony i wystepują na ujemnym stopniu utlenienia.

Półmetale

Zachowują się najczęściej jak metale i dlatego występują na dodatnim stopniu utlenienia.

Gazy szlachetne

Mają idealną liczbę elektronów, dlatego bardzo rzadko tworzą związki, a inne pierwiastki poprzez pobranie lub oddanie dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej odpowiedniego gazu szlachetnego.

Gazy szlachetne

Metale

Niemetale

Półmetale

Żaden pierwiastek nie może uzyskać wyższego stopnia utlenienia niż tradycyjny numer grupy ( IA, IIA itp..) do której należy.

Wyjątek stanowią Cu, Au.

UTLENIACZredukcja

REDUKTORutlenienie

Do substancji ulegających redukcji, czyli utleniaczy należą: Pierwiastki najbardziej elektroujemne (niemetale) a więc: fluor F2, chlor Cl2, brom Br2oraz tlen O2,Jony metali na wyższym stopniu utlenienia.Związki chemiczne ( jak również ich jony ) w których występują pewne pierwiastki na najwyższych stopniach utlenienia np. nadmanganian potasowy KMnO4( MnVII), dwuchromian potasowy K2Cr2O7( CrVI), nadtlenek wodoru H2O2( O-I), azotan potasowy KNO3( NV) kwas azotowy HNO3( NV) oraz wiele innych.

Podczas reakcji elektrony przechodzą od reduktora do utleniacza.

Proces utlenienia przebiega zawsze równolegle z procesem redukcji i odwrotnie, redukcji towarzyszy utlenienie. Utleniacze, utleniając inne substancje, same ulegają redukcji.

Do substancji ulegających utlenieniu, czyli reduktorów należą: Przede wszystkim pierwiastki najbardziej elektrododatnie (metale) Jony metali i niemetali na niższym stopniu utlenienia.Niemetale ( np. C, N, S, H )Związki chemiczne, które posiadają atomy metali lub niemetali na niższym stopniu utlenienia, np. chlorek cynowy SnCl2, chlorek żelaza FeCl2, kwas siarkowy (IV) H2SO3, azotan (III) sodu NaNO2, tlenek węgla CO itp.

Przykłady

reduktor utleniacz

utlenianie- 2Ca0--> 2CaII+ 4e redukcja- O0

2+ 4e --> 2O-II

3CuCl2+ 2Al --> 2AlCl3+ 3Cu

2Ca + O2--> 2CaO

reduktorutleniacz

3Cu+II+ 6e --> 3Cu0 |  redukcja, 2Al0 - 6e --> 2Al+III   |  utlenienie,

Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O

reduktor utleniacz

Cu0 – 2e --> Cu+II

SVIO42- + 2e --> SIVO2

Wyznaczanie współczynników w równaniach reakcji redoks

Metoda równań połówkowych (ion-electron method) korzysta z faktu, że w wyniku reakcji chemicznej nie powstaje makroskopowy ładunek elektryczny, co oznacza, że elektrony nie będą występować w bilansie materiałowym reakcji.Atom zwiększa swój stopień utlenienia oddając elektrony. W myśl prawa zachowania masy i ładunku, w reakcji chemicznej ani atomy, ani elektrony nie mogą zaginąć, więc inny atom musi te elektrony przyjąć (ulega on redukcji).Równanie reakcji chemicznej można rozbić na dwie części, tzw. równania reakcji połówkowych. W jednym równaniu reakcji zachodzi proces utlenienia, a w drugim redukcji. Dla każdego z równań reakcji połówkowych współczynniki równania dobiera się oddzielnie.Liczba elektronów pobranych przez utleniacz musi być równa liczbie elektronów oddanych przez reduktor. Taką wspólną liczbą elektronów dla reduktora i utleniacza jest Najmniejsza Wspólna Wielokrotność - NWW.

Zapis reakcji połówkowych:

reduktor A – nA ē → utleniacz A

utleniacz B + nB ē → reduktor B

Bilansowanie reakcji redoks:

reduktor A – nA ē → utleniacz A /×nB

utleniacz B + nB ē → reduktor B /×nA

Zapis reakcji redoks powstaje na skutek dodania reakcji cząstkowych stronami:

nB reduktor A – nBnA ē + nA utleniacz B + nA nB ē →

nA reduktor B + nB utleniacz A

obliczamy stopnie utlenienia atomów po lewej i prawej stronie równania reakcji (dla substratów i produktów) Znajdujemy atomy, które zmieniły swój stopień utlenienia. Określamy atom który uległ redukcji (utleniacz) i atom który uległ utlenieniu ( reduktor)Zapisujemy połówkowe równania reakcji - z udziałem atomu, który uległ redukcji- z udziałem atomu, który uległ utlenieniu (kolejność dowolna)W równaniu połówkowym jony z atomami, które zmieniły swój stopień utlenienia powinny być zapisane w takiej postaci w jakiej występują w równaniu reakcji. Dodać w razie potrzeby H2O czy jony H+, OH- w celu zbilansowania równania reakcji. Sprawdzamy czy każde z równań reakcji połówkowych z osobna spełnia prawo zachowania masy i ładunku Obliczamy NWW (wspólną liczbą elektronów dla reduktora i utleniacza) i mnożymy przez wyznaczone mnożniki.Dodajemy stronami równania połówkowe, oraz zsumowujemy wyrażenia podobne. Jeżeli po tej samej stronie równania reakcji wystąpią jony wodorotlenowe i wodorowe, to łączymy je w cząsteczki wody. W końcowym równaniu sprawdzamy bilans masy i ładunków.

Algorytm postępowania:

Przykłady

1.Reakcja bizmutu z siarką:

2. Substraty Bi0; S0 Produkt BiIII2S-II3

Bi0 - 3e --> BiIII - utlenianie|×2

S0 + 2e --> S-II – redukcja|×3

3. 2Bi0 -6e → 2BiIII

3S0 + 6e → 3S-II

4. 2Bi0 + 3S0- 6e +6e --> Bi2IIIS3-II

Rozpatrywaną reakcję można zapisać jako:

środowisko obojętne: dysponujemy tylko cząsteczkami wody, które możemy dodać po stronie substratów. Z każdej cząsteczki wody możemy wziąć jeden brakujący jon wodorowy (powstanie z niej jon wodorotlenowy), lub przyłączyć do niej jeden atom tlenu (powstaną dwa jony wodorotlenowe). Jeżeli w jednym równaniu połówkowym powstają jony wodorowe lub wodorotlenowe, możemy ich użyć w następnym równaniu połówkowym

środowisko kwaśne: dysponujemy dowolną ilością cząsteczek wody i jonów wodorowych. Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając odpowiednią ilość cząsteczek wody. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy jonami wodorowymi H+

środowisko alkaliczne: dysponujemy jonami wodorotlenowymi i cząsteczkami wody, które możemy dodawać po stronie substratów w takiej ilości by zbilansować równanie połówkowe pod względem prawa zachowania masy. Brakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając jony wodorotlenowe OH- w ilości dwukrotnie większej. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy odpowiednią ilością cząsteczek wody.

Reakcja w środowisku obojętnym.

Jeśli środowisko reakcji jest obojętne, do substratów możemy dodawać tylko wodę.

2KOHSO3K2MnOOHSO3K2KMnO

2KOHSO3K2MnOOHSO3K2KMnO

2OH3SO2MnOOH3SO2MnO

6H3SO8OH2MnOO3H6e3SOO4H6e2MnO

6H3SOO3H6e3SO

8OH2MnOO4H6e2MnO

2HSOOH2eSO

4OHMnOO2H3eMnO

KOHSOKMnOOHSOKKMnO

42

w6elektronóredukcja

22324

4222324

2422

234

2422

2324

242

23

224

242

23

224

4222324

Utlenienie -6 elektronów

Reakcja w środowisku kwaśnymBrakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając odpowiednią ilość cząsteczek wody. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy jonami wodorowymi H+

O3HSO6K2MnSOSO3HSO5K2KMnO

O3HSO6K2MnSOSO3HSO5K2KMnO

O3H5SO2Mn6H5SO2MnO

10H5SOO8H2MnO5H10e5SO16H10e2MnO

10H5SOO5H10e5SO

O8H2Mn16H10e2MnO

52HSOOH2eSO

2O4HMn8H5eMnO

OHSOKMnSOSOHSOKKMnO

242442324

242442324

224

2234

242

22

234

242

23

22

4

242

23

22

4

242442324

elektronów10redukcja

Utlenianie – 10e

Reakcja w środowisku zasadowymBrakującą ilość atomów tlenu uzupełniamy dodając jony wodorotlenowe OH- w ilości dwukrotnie większej. Brakującą ilość atomów wodoru uzupełniamy odpowiednią ilością cząsteczek wody.

OHSOKMnOK2KOHSOKKMnO2

OHSO2MnO2OH2eSO2e2MnO

OHSO2OH2eSO

2MnO2e2MnO

OHSO2OH2eSO

MnOeMnO

OHSOKMnOKKOHSOKKMnO

242

2eredukcja

42324

224

24

234

224

23

244

224

23

244

24242324

Utlenienie – 2e

Mały Pomocnik: http://www.webqc.org/balance.php

Podsumowanie

Stopień utlenienia to umowny ładunek atomów obliczany przy założeniu, że cząsteczka składa się z samych jonów.

Stopień utlenienia zaznaczamy liczbą rzymską nad symbolem, a przy stopniu ujemnym poprzedzamy ją znakiem „-”.

Algebraiczna suma stopni utlenienia w cząsteczce zawsze równa jest „0”.

W związku ze stopniem utlenienia reakcje chemiczne można podzielić na dwa rodzaje:-reakcje zachodzące bez zmiany stopnia utlenienia atomów,- reakcje zachodzące ze zmianą stopnia utlenienia atomów.

W reakcjach redoks liczba oddanych i pobranych elektronów musi być taka sama.

Utleniacz pobiera elektrony sam się redukując, a reduktor oddaje elektrony ulegając utlenieniu.

Atomy na najwyższym stopniu utlenienia mogą być tylko utleniaczami a na najniższym tylko reduktorami.

Literatura

„ Repetytorium chemia od A do Z” M. Klimaszewska

„Układ okresowy, stopnie utlenienia, tworzenie jonów.” N. KuźnikPolitechnika Śląska Wydział Chemiczny

„Chemia 3”– podręcznik ( zakres rozszerzony) S. Hejwowska, R. Marcinkowski,J. Staluszka

http://www.chemorganiczna.com/