Bilans elektronowy w reakcjach redoks

Reakcje utleniania i redukcji są sprzężone: nie może zachodzić samo utlenianie bez redukcji ani sama redukcja bez utleniania. W trakcie przemiany jedna substancja oddaje elektrony, a druga je przyjmuje. Praktycznym wskaźnikiem takiej wymiany jest zmiana stopni utlenienia pierwiastków.

Utlenianie oznacza oddawanie elektronów i wzrost stopnia utlenienia. Redukcja oznacza przyjmowanie elektronów i spadek stopnia utlenienia. Na przykład w przemianie $Zn \to Zn^{2+}$ cynk oddaje dwa elektrony, natomiast w przemianie $Cu^{2+} \to Cu$ jon miedzi(II) przyjmuje dwa elektrony.

Substancja, która oddaje elektrony, jest reduktorem. Powoduje redukcję drugiego reagenta, lecz sama ulega utlenieniu. Substancja przyjmująca elektrony jest utleniaczem: powoduje utlenianie innej substancji, a sama ulega redukcji.

W reakcji $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$ cynk jest reduktorem, ponieważ jego stopień utlenienia rośnie z $0$ do $+2$. Jon miedzi(II) jest utleniaczem, ponieważ jego stopień utlenienia maleje z $+2$ do $0$.

Aby wykonać bilans elektronowy, najpierw należy poprawnie wyznaczyć stopnie utlenienia pierwiastków. Pierwiastek w stanie wolnym, np. $Fe$, $Cl_2$ lub $O_2$, ma stopień utlenienia $0$. Suma stopni utlenienia atomów w cząsteczce obojętnej wynosi $0$, a w jonie jest równa ładunkowi jonu.

Tlen w większości związków ma stopień $-2$, zaś wodór w połączeniach z niemetalami zwykle $+1$. Metale grupy pierwszej mają zazwyczaj stopień $+1$, a metale grupy drugiej $+2$. Reguły te pozwalają obliczyć stopień utlenienia pozostałego pierwiastka.

Dla jonu $MnO_4^-$ cztery atomy tlenu wnoszą łącznie $-8$. Ponieważ ładunek jonu wynosi $-1$, mangan musi mieć stopień $+7$.

Metoda bilansu elektronowego umożliwia dobranie współczynników w równaniu redoks. Najpierw zapisuje się równanie szkieletowe i oznacza stopnie utlenienia tych pierwiastków, które zmieniają ich wartość. Następnie ustala się, który atom oddaje, a który przyjmuje elektrony.

Dla każdej zmiany zapisuje się liczbę elektronów. Gdy np. żelazo przechodzi z $Fe^{2+}$ do $Fe^{3+}$, jeden jon oddaje jeden elektron. Cząsteczka $Cl_2$ przechodząca w dwa jony $Cl^-$ przyjmuje dwa elektrony. Aby liczby były równe, przemianę żelaza mnoży się przez $2$.

• wyznacz stopnie utlenienia
• wskaż utlenianie i redukcję
• zapisz liczbę oddanych oraz przyjętych elektronów
• zastosuj mnożniki zapewniające równą liczbę elektronów
• wpisz współczynniki i wyrównaj pozostałe atomy

Współczynniki wynikające z bilansu elektronów wpisuje się przed wzorami substancji. Nie wolno zmieniać indeksów dolnych, ponieważ opisują one stały skład cząsteczki lub związku. Zapis $H_2O$ nie może zostać zastąpiony przez $HO$, gdyż oznaczałby inny skład substancji.

Po zakończeniu bilansu trzeba sprawdzić dwa warunki. Po obu stronach równania musi być taka sama liczba atomów każdego pierwiastka. Dodatkowo w zapisie jonowym suma ładunków po stronie substratów i produktów musi być taka sama.

W równaniu $MnO_2 + HCl \to MnCl_2 + Cl_2 + H_2O$ mangan zmienia stopień z $+4$ na $+2$, a część chloru z $-1$ na $0$. Po uzgodnieniu otrzymuje się $MnO_2 + 4HCl \to MnCl_2 + Cl_2 + 2H_2O$.

Częsty błąd polega na utożsamianiu utleniania z reakcją zachodzącą koniecznie z tlenem. Nazwy utlenianie i redukcja odnoszą się przede wszystkim do elektronów oraz zmian stopni utlenienia, dlatego reakcja redoks może przebiegać bez udziału tlenu.

W zadaniach należy uważnie analizować wszystkie pierwiastki, ponieważ jedna reakcja może obejmować jednoczesne utlenianie i redukcję tego samego pierwiastka w różnych substancjach. Przykładem jest rozkład $2KClO_3 \to 2KCl + 3O_2$: chlor redukuje się z $+5$ do $-1$, natomiast tlen utlenia się z $-2$ do $0$.

W poleceniach maturalnych warto podawać pełne uzasadnienie: wskazać stopnie utlenienia przed i po reakcji, określić proces oraz nazwać utleniacz albo reduktor. Samo stwierdzenie, że substancja „reaguje”, nie wyjaśnia jej funkcji w redoks.