Reakcje podczas przebiegu których zmieniają się wartości stopni utlenienia pierwiastków chemicznych nazywamy procesami redoks, lub reakcjami utleniania-redukcji. Równania chemiczne opisujące tego rodzaju przemiany bilansuje się z uwzględnieniem liczb oddawanych oraz pobieranych elektronów przez odpowiednie pierwiastki. Istnieje kilka sposobów bilansowania schematów procesów redoks. Metodę, w której uwzględniane są wzory cząsteczek oraz jonów zapisane w równaniach połówkowych procesów utleniania oraz redukcji nazywamy bilansem jonowo-elektronowym. Jeszcze pod koniec lat 90-ych XX wieku, gdy sam byłem uczniem liceum uczono mnie, że w celu zbilansowania schematu reakcji, najpierw należy ustalić stopnie utlenienia pierwiastków chemicznych. Wszytko działało do momentu, gdy nie pojawiła się cząsteczka lub jon, w którym ustalenie wartości stopni utlenienia pierwiastków było zbyt czasochłonne i łatwo byłoby o pomyłkę…  Jakiś czas temu polubiłem jednak metodę bilansowania, w której nie ma potrzeby określania wartości stopni utlenienia pierwiastków chemicznych. Dziś chciałbym się z Tobą podzielić takim sposobem, przedstawiając dwa niezależne od siebie przykłady – dla reakcji biegnącej w środowisku kwasowym oraz zasadowym.

Bilansowanie równania reakcji chemicznej przebiegającej w środowisku kwasowym.

Rozważmy schemat następującej reakcji chemicznej:

Mn²⁺ + PbO₂ + H⁺ → MnO₄^– + Pb²⁺ + H₂O

Procedura bilansu jonowo-elektronowego wykonywana jest w pięciu krokach.

1. Zapisujemy wzory sumaryczne związków chemicznych oraz drobin biorących udział w pierwszym procesie redoks.

PbO₂  → Pb²⁺

2. Bilansujemy wszystkie pierwiastki chemiczne z wyjątkiem tlenu oraz wodoru w zapisanym schemacie.

Ponieważ liczba atomów ołowiu po obu stronach schematu jest taka sama, nie ma konieczności bilansowania tego pierwiastka chemicznego.

3. Liczbę brakujących atomów tlenu bilansujemy dopisując taką liczbę cząsteczek wody, jaka odpowiada liczbie brakujących atomów tlenu po drugiej stronie schematu reakcji.

W rozważanym przez nas przypadku po prawej stronie brakuje dwóch atomów tlenu, dlatego dopisujemy tu 2H₂O.

PbO₂  → Pb²⁺ + 2H₂O

4. Liczbę atomów wodoru bilansujemy za pomocą jonów wodorowych (H⁺), ponieważ reakcja biegnie w środowisku kwasowym.

Dopisujemy zatem 4H⁺ po lewej stronie schematu reakcji.

4H⁺ + PbO₂  → Pb²⁺ + 2H₂O

5. Bilansujemy ładunek elektryczny dopisując odpowiednią liczbę elektronów (ē).

Ponieważ po lewej stronie sumaryczny ładunek ma wartość +4, natomiast po prawej stronie +2, oznacza to, że po lewej stronie należy wpisać 2ē.

4H⁺ + PbO₂  + 2ē → Pb²⁺ + 2H₂O

Równanie połówkowe procesu redukcji zostało zatem zbilansowane. Opisanych pięć kroków stosujemy również w przypadku procesu utleniania:

Mn²⁺ → MnO₄^–

W celu zbilansowania atomów tlenu dopisujemy 4H₂O po lewej stronie.

4H₂O + Mn²⁺ → MnO₄^–

Następnie po prawej stronie wpisujemy 8H⁺, w celu zbilansowania wodoru.

4H₂O + Mn²⁺ → MnO₄^– + 8H⁺

Ponieważ po lewej stronie sumaryczny ładunek ma wartość +2, natomiast po prawej stronie +7, oznacza to, że po prawej stronie należy wpisać 5ē.

4H₂O + Mn²⁺ → MnO₄^– + 8H⁺ + 5ē

Uzyskaliśmy w ten sposób równania połówkowe procesów:

redukcji: 4H⁺ + PbO₂  + 2ē → Pb²⁺ + 2H₂O

utleniania: 4H₂O + Mn²⁺ → MnO₄^– + 8H⁺ + 5ē

W równaniach tych współczynniki stechiometryczne mnożymy przez odpowiednią liczbę elektronów, jakie wymieniane są w poszczególnych procesach utleniania oraz redukcji. W przypadku równania redukcji mnożymy przez 5, ponieważ w procesie utleniania wymienianych jest 5 elektronów, natomiast w przypadku równania utleniania mnożymy przez 2, ponieważ w procesie redukcji wymieniane są dwa elektrony:

4H⁺ + PbO₂  + 2ē → Pb²⁺ + 2H₂O |·5

4H₂O + Mn²⁺ → MnO₄^– + 8H⁺ + 5ē |·2

Po wymnożeniu współczynników stechiometrycznych dodajemy stronami oba równania połówkowe:

20H⁺ + 5PbO₂  + 10ē + 8H₂O + 2Mn²⁺ → 5Pb²⁺ + 10H₂O + 2MnO₄^– + 16H⁺ + 10ē

Następnie przeprowadzamy redukcję wyrazów podobnych – tak jak w wyrażeniach algebraicznych. W ten sposób uzyskujemy zbilansowane równanie reakcji chemicznej:

4H⁺ + 5PbO₂  + 2Mn²⁺ → 5Pb²⁺ + 2H₂O + 2MnO₄^–

Bilansowanie równania reakcji chemicznej przebiegającej w środowisku zasadowym.

Nieco odmiennie przedstawia się sytuacja w przypadku reakcji redoks jaka przebiega w środowisku zasadowym. Rozważmy schemat następującego procesu:

NO₃^– + Zn + OH^– + H₂O → NH₃ + [Zn(OH)₄]^2–

Procedura bilansu jonowo-elektronowego wykonywana jest w pięciu krokach.

1. Zapisujemy wzory sumaryczne związków chemicznych oraz drobin biorących udział w pierwszym procesie redoks.

NO₃^– → NH₃

2. Bilansujemy wszystkie pierwiastki chemiczne z wyjątkiem tlenu oraz wodoru w zapisanym schemacie.

Ponieważ liczba atomów azotu po obu stronach schematu jest taka sama, nie ma konieczności bilansowania tego pierwiastka chemicznego.

3. Liczbę brakujących atomów tlenu bilansujemy wodą.

Dopisujemy zatem 3H₂O po prawej stronie:

NO₃^– → NH₃ + 3H₂O

4. Liczbę brakujących atomów wodoru bilansujemy wodą, a następnie jonami OH^–. Liczba dopisanych cząsteczek wody równa jest liczbie brakujących atomów wodoru, a liczba dopisanych jonów OH^– równa jest liczbie dopisanych cząsteczek wody. Pamiętaj, że  jony OH^– wpisujemy po stronie przeciwnej niż dopisane cząsteczki wody.

W rozważanym przez nas przypadku dopisujemy 9H₂O po lewej stronie, ponieważ po prawej stronie jest 9 atomów wodoru:

9H₂O + NO₃^– → NH₃ + 3H₂O

Po prawej stronie dopisujemy 9OH^– (ponieważ po lewej dopisaliśmy dziewięć cząsteczek wody):

9H₂O + NO₃^– → NH₃ + 3H₂O + 9OH^–

5. Bilansujemy ładunek elektryczny dopisując odpowiednią liczbę elektronów (ē).

Ponieważ po lewej stronie sumaryczny ładunek ma wartość -1, natomiast po prawej stronie -9, oznacza to, że po lewej stronie należy wpisać 8ē.

8ē + 9H₂O + NO₃^– → NH₃ + 3H₂O + 9OH^–

Następnie redukujemy wyrazy podobne i uzyskujemy docelowe równanie procesu redukcji:

8ē + 6H₂O + NO₃^– → NH₃ + 9OH^–

Opisanych pięć kroków stosujemy również w przypadku procesu utleniania cynku:

Zn → [Zn(OH)₄]^2–

W celu zbilansowania atomów tlenu dopisujemy 4H₂O po lewej stronie.

4H₂O + Zn → [Zn(OH)₄]^2–

Ponieważ po lewej stronie jest 8 atomów wodoru, natomiast po prawej stronie są 4 takie atomy, należy dopisać 4H₂O po prawej stronie (każda cząsteczka wody na brakujący atom wodoru):

4H₂O + Zn → [Zn(OH)₄]^2– + 4H₂O

Po lewej stronie dopisujemy teraz taką samą liczbę jonów OH^–, co liczba dopisanych cząsteczek wody. Dopisujemy zatem 4OH^–:

4OH^– + 4H₂O + Zn → [Zn(OH)₄]^2– + 4H₂O

Następnie bilansujemy ładunek elektryczny. Ponieważ po lewej stronie jest -4, natomiast po prawej -2, oznacza to konieczność dopisania 2ē:

4OH^– + 4H₂O + Zn → [Zn(OH)₄]^2– + 4H₂O + 2ē

Następnie redukujemy wyrazy podobne i uzyskujemy docelowe równanie procesu utleniania:

4OH^– + Zn → [Zn(OH)₄]^2– + 2ē

Równania połówkowe procesów redukcji oraz utleniania są zatem następujące:

redukcji: 8ē + 6H₂O + NO₃^– → NH₃ + 9OH^–

utleniania: 4OH^– + Zn → [Zn(OH)₄]^2– + 2ē

W równaniach tych współczynniki stechiometryczne mnożymy przez odpowiednią liczbę elektronów, jakie wymieniane są w poszczególnych procesach utleniania oraz redukcji. Jednak zwróćmy uwagę na fakt, że liczba elektronów 8 oraz 2 mogą zostać uproszczone do 4 i 1, ponieważ 8 jest podzielne przez 2. W przypadku równania redukcji mnożymy zatem przez 1, natomiast w przypadku równania utleniania mnożymy przez 4:

8ē + 6H₂O + NO₃^– → NH₃ + 9OH^– |·1

4OH^– + Zn → [Zn(OH)₄]^2– + 2ē |·4

Po wymnożeniu współczynników stechiometrycznych dodajemy stronami oba równania połówkowe:

8ē + 6H₂O + NO₃^– + 16OH^– + 4Zn → NH₃ + 9OH^– + 4[Zn(OH)₄]^2– + 8ē

Następnie przeprowadzamy redukcję wyrazów podobnych – tak jak w wyrażeniach algebraicznych. W ten sposób uzyskujemy zbilansowane równanie reakcji chemicznej:

6H₂O + NO₃^– + 7OH^– + 4Zn → NH₃ + 4[Zn(OH)₄]^2–

Bilansowanie równania reakcji chemicznej przebiegającej w środowisku kwasowym z udziałem tlenku mieszanego.

Rozważmy kolejny przykład reakcji chemicznej. Tym razem będzie to proces przebiegający z udziałem tlenku mieszanego, według schematu zapisanego w formie cząsteczkowej:

Mn₃O₄ + HCl → MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

Współczynniki stechiometryczne w powyższym schemacie zapiszemy stosując metodę bilansu jonowo-elektronowego Zwróćmy jednak uwagę, że tym razem schemat reakcji zapisany jest w formie cząsteczkowej, a nie jonowej. Pisząc połówkowe równania procesów utleniania oraz redukcji należy pamiętać, że reagenty wpisujemy w takiej postaci, jaka dominuje w układzie. Należy pamiętać, że:

– wzorów sumarycznych tlenków nie rozpisujemy na jony,

– wzorów sumarycznych wodorków metali nie rozpisujemy na jony,

– związków trudno lub praktycznie nierozpuszczalnych w wodzie nie rozpisujemy na jony,

– wzorów sumarycznych słabych elektrolitów nie rozpisujemy na jony.

W rozważanym przez nas przypadku schemat pierwszego z równań połówkowych przyjmie zatem postać:

Mn₃O₄ → Mn²⁺

Zauważmy, że Mn₃O₄ jest tlenkiem metalu, dlatego nie rozpisujemy tego związku chemicznego na jony, natomiast Mn²⁺ pochodzi z dysocjacji elektrolitycznej dobrze rozpuszczalnej soli MnCl₂. Następnie postępujemy według schematu opisanego dla środowiska kwasowego, dlatego najpierw bilansujemy liczbę atomów manganu (pierwiastek inny niż tlen oraz wodór) dopisując cyfrę 3 przed wzorem jonu Mn²⁺:

Mn₃O₄ → 3Mn²⁺

W celu zbilansowania tlenu, po prawej stronie dopisujemy 4H₂O:

Mn₃O₄ → 3Mn²⁺ + 4H₂O

Następnie bilansujemy wodór, wpisując po lewej stronie 8H⁺:

8H⁺ + Mn₃O₄ → 3Mn²⁺ + 4H₂O

W celu zbilansowania ładunku elektrycznego dopisujemy z lewej strony 2ē, ponieważ po stronie tej mamy ładunek +8 (jest 8H⁺), natomiast po prawej +6 (są 3 jony dwudodatnie):

2ē + 8H⁺ + Mn₃O₄ → 3Mn²⁺ + 4H₂O

Jak widzimy uzyskaliśmy równanie procesu redukcji (elektrony znajdują się po lewej jego stronie).

Teraz zbilansujemy schemat drugiego równania połówkowego:

Cl^– → Cl₂

Najpierw bilansujemy liczbę atomów chloru dopisując 2 przed wzorem jonu Cl^–:

2Cl^– → Cl₂

Ponieważ nie ma tu innych pierwiastków chemicznych, od razu przechodzimy do kroku, w którym bilansuje się ładunek elektryczny. Dopisujemy zatem 2ē z prawej strony i uzyskujemy równanie połówkowe procesu utleniania:

2Cl^– → Cl₂ + 2ē

Podsumowując uzyskaliśmy następujące równania połówkowe:

redukcja: 2ē + 8H⁺ + Mn₃O₄ → 3Mn²⁺ + 4H₂O

utlenianie: 2Cl^– → Cl₂ + 2ē

W równaniach tych współczynniki stechiometryczne mnożymy przez odpowiednią liczbę elektronów, jakie wymieniane są w poszczególnych procesach utleniania oraz redukcji. Jednak zwróćmy uwagę na fakt, że liczby elektronów 2 w każdym z równań połówkowych mogą zostać uproszczone do 1, ponieważ 2 jest podzielne przez 2. W obu przypadkach mnożymy zatem przez 1:

2ē + 8H⁺ + Mn₃O₄ → 3Mn²⁺ + 4H₂O |·1

2Cl^– → Cl₂ + 2ē |·1

Po wymnożeniu współczynników stechiometrycznych dodajemy stronami oba równania połówkowe i redukujemy wyrazy podobne:

8H⁺ + Mn₃O₄ + 2Cl^– → 3Mn²⁺ + 4H₂O + Cl₂

Odpowiednie współczynniki stechiometryczne z powyższego równania zapisanego w formie jonowej skróconej dopisujemy w schemacie formy cząsteczkowej. Zwracamy przy tym uwagę, że równanie zapisane w formie jonowej skróconej przedstawia wzory tych związków chemicznych oraz drobin, między którymi faktycznie przebiega reakcja chemiczna. Dlatego na przykład liczba jonów chlorkowych wynikająca z równania zapisanego w formie jonowej skróconej nie jest równa liczbie jonów chlorkowych wynikających z równania zapisanego w formie cząsteczkowej i pochodzących z dysocjacji elektrolitycznej 8HCl. Po prostu 6 z tych 8 jonów chlorkowych nie bierze udziału w reakcji chemicznej – jony te jednak „cudownie nie znikają”, lecz cały czas obecne są w roztworze, co widać w cząsteczkowym zapisie równania reakcji – znajdują się one wówczas w postaci 3MnCl₂:

Mn₃O₄ + 8HCl → 3MnCl₂ + Cl₂ + 4H₂O

Bilansowanie równania reakcji chemicznej przebiegającej w środowisku kwasowym z udziałem jonów H₃O⁺.

Na koniec przytoczymy jeszcze bilans jonowo-elektronowy w środowisku kwasowym, ale z udziałem jonów hydroniowych (H₃O⁺). Rozważmy reakcję tlenku chromu(VI) z kwasem bromowodorowym, której schemat znajduje się poniżej:

CrO₃ + H₃O⁺ + Br^– → Cr³⁺ + H₂O + Br₂

Zapisujemy wzory sumaryczne związków chemicznych oraz drobin biorących udział w pierwszym procesie redoks.

CrO₃  → Cr³⁺

Bilansujemy wszystkie pierwiastki chemiczne z wyjątkiem tlenu oraz wodoru w zapisanym schemacie. Ponieważ liczba atomów chromu po obu stronach schematu jest taka sama, nie ma konieczności bilansowania tego pierwiastka chemicznego.

Liczbę brakujących atomów tlenu bilansujemy dopisując taką liczbę cząsteczek wody, jaka odpowiada liczbie brakujących atomów tlenu po drugiej stronie schematu reakcji. W rozważanym przez nas przypadku po prawej stronie brakuje trzech atomów tlenu, dlatego dopisujemy tu 3H₂O.

CrO₃ → Cr³⁺ + 3H₂O

Liczbę atomów wodoru bilansujemy za pomocą jonów hydroniowych, ponieważ są one elementem schematu reakcji. Jon H₃O⁺ stanowi połączenie jednego jonu H⁺ z jedną cząsteczką H₂O. Liczba dopisanych jonów hydroniowych musi być równa liczbie atomów wodoru, których brakuje po lewej stronie schematu reakcji. Wpisujemy zatem 6H₃O⁺ i (z uwagi na stosunek molowy H⁺ do H₂O równy 1:1 w jonie H₃O⁺) dokładnie tyle samo, czyli 6H₂O po drugiej stronie:

6H₃O⁺ + CrO₃ → Cr³⁺ + 3H₂O + 6H₂O

W kolejnym kroku bilansujemy ładunek elektryczny dopisując odpowiednią liczbę elektronów (ē). Ponieważ po lewej stronie sumaryczny ładunek ma wartość +6 (sześć jonów H₃O), natomiast po prawej stronie +3 (jeden jon Cr³⁺), po lewej stronie dopisujemy 3ē.

3ē + 6H₃O⁺ + CrO₃ → Cr³⁺ + 3H₂O + 6H₂O

Po zsumowaniu liczby cząsteczek wody uzyskujemy równanie procesu redukcji:

3ē + 6H₃O⁺ + CrO₃ → Cr³⁺ + 9H₂O

Następnie bilansujemy proces utleniania jonów bromkowych:

Br^– → Br₂

Przed anionem bromkowym wstawiamy zatem cyfrę 2, aby zgadzała się liczba tomów bromu po obu stronach równania, a następnie dodajemy 2ē po prawej stronie, aby wyrównać ładunek elektryczny. Równanie procesu utleniania przyjmie zatem postać:

2Br^– → Br₂ + 2ē

Uzyskaliśmy w ten sposób równania połówkowe procesów:

redukcji: 3ē + 6H₃O⁺ + CrO₃ → Cr³⁺ + 9H₂O

utleniania: 2Br^– → Br₂ + 2ē

W równaniach tych współczynniki stechiometryczne mnożymy przez odpowiednią liczbę elektronów, jakie wymieniane są w poszczególnych procesach utleniania oraz redukcji. W przypadku równania redukcji mnożymy przez 2, ponieważ w procesie utleniania wymieniane są 2 elektrony, natomiast w przypadku równania utleniania mnożymy przez 3, ponieważ w procesie redukcji wymieniane są trzy elektrony:

3ē + 6H₃O⁺ + CrO₃ → Cr³⁺ + 9H₂O |·2

2Br^– → Br₂ + 2ē |·3

Po wymnożeniu współczynników stechiometrycznych dodajemy stronami oba równania połówkowe i przeprowadzamy redukcję wyrazów podobnych (elektrony) – tak jak w wyrażeniach algebraicznych. W ten sposób uzyskujemy zbilansowane równanie reakcji chemicznej:

12H₃O⁺ + 2CrO₃ + 6Br^– → 2Cr³⁺ + 18H₂O + 3Br₂

Mam nadzieję, że teraz już nie będziesz mieć problemów ze zbilansowaniem żadnego schematu reakcji redoks biegnącej w środowisku wodnym 🙂

Spodobał Ci się ten artykuł? Polub mój fanpage na Facebooku oraz na Instagramie, aby nie ominęły Cię żadne nowości.

© dr inż. Rafał Szczypiński, wszelkie prawa zastrzeżone