Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen hapetuslukumenetelmällä MATERIAALIT JA TEKNO- LOGIA, KE4 Palataan hetkeksi 2.- ja 3.-kurssin asioihin ja tarkastellaan hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottamista. Reaktioyhtälöt voivat olla monimutkaisia, joten pelkällä kokeiluperiaatteella saattaa aikaa kulua. Lisäksi keskeinen periaate hap.-pelk.reaktioissa ei tällöin toteutuisi, nimittäin luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien lukumäärän tulee olla sama. Hyödyntämällä alkuaineiden hapetuslukuja voidaan reaktioyhtälö tasapainottaa kätevästi kun toimitaan seuraavasti. 1. Selvitetään hapetuslukumuutosten avulla, mikä alkuaine hapettuu ja mikä pelkistyy. 2. Tasapainotetaan siirtyvien elektronien määrä laittamalla sopivat kertoimet hapettuvaa ja pelkistyvää alkuainetta sisältävän aineen kaavan eteen. Näin luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrät ovat samat. 3. Lopuksi tasapainotetaan muut atomit. 4. Tarkistetaan sähkövaraukset. Huom! Viimeisissä vaiheissa ei saa enää muuttaa niiden aineiden kertoimien suhdetta, jotka sisältävät hapettuvaa ja pelkistyvää alkuainetta. Esimerkki 1 Hopea reagoi laimean typpihapon kanssa, jolloin muodostuu veteen liukenevaa hopeanitraattia, vettä ja typpimonoksidikaasua. Tasapainota reaktio. Ratkaisu Tasapainottamaton reaktio on Ag s + HNO 3 aq AgNO 3 aq + H 2 O l + NO g. Vaihe 1. Koska 0 +I+V II +I+V II +I II +II II Ag s + H N O 3 aq Ag N O 3 aq + H 2 O l + N O g, niin hopea hapettuu, vety pysyy samana, samoin happi mutta typpi pysyy samana ja toisaalta pelkistyy. Luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrät eivät kuitenkaan täsmää. Vaihe 2. Lisätään kerroin kolme hopean ja hopeanitraatin eteen, jolloin 3 Ag s + HNO 3 aq 3 AgNO 3 aq + H 2 O l + NO g. Nyt siirtyvien elektronien määrät täsmäävät. Lopuksi pitää tasapainottaa muut alkuaineet. 1
Vaihe 3. Pitää huolehtia siitä, ettei hapettuvien ja pelkistyvien aineiden kertoimien suhde muutu! Koska typpeä on 4 kpl tuotteiden puolella lisätään kerroin 4 typpihapon eteen. Vedyt tasapainottuu, kun lisätään kerroin 2 veden eteen. Näin ollen lopullinen reaktioyhtälö on 3 Ag s + 4 HNO 3 aq 3 AgNO 3 aq + 2 H 2 O l + NO g. Huomaa, että hopeanitraatin typpi on hapetusluvulla +V, eli ei muutu. Jos hapettumis-pelkistymisreaktio esitetään ionireaktiona, on menetelmä sama kuin edellä, mutta lopuksi pitää varmistaa, että sähkövarauksia on yhtä paljon kummallakin puolella. Esimerkki 2 Dikromaatti-ionit reagoivat kloridi-ionien kanssa happamassa vesiliuoksessa. Hapan vesiliuos merkitään reaktioyhtälöön merkinnällä H + aq. Tasapainota reaktio. Ratkaisu Tasapainottamaton reaktio on Cr 2 O 7 2 aq + Cl aq + H + aq Cr 3+ aq + Cl 2 g + H 2 O l. Vaihe 1. Hapetusluvut +VI II I +I Cr 2 O 2 7 aq + Cl aq + H + aq +III 0 +I II Cr 3+ aq + Cl 2 g + H 2 O l. Vaihe 1. Hapetusluvut +VI II I +I Cr 2 O 2 7 aq + Cl aq + H + aq +III 0 +I II Cr 3+ aq + Cl 2 g + H 2 O l. Vaihe 2. Elektronit tasapainoon, kromille 3 lisää, kloorilta 1 pois, joten Cr 2 O 7 2 aq + 6 Cl aq + H + aq 2 Cr 3+ aq + 3 Cl 2 g + H 2 O l. Vaihe 3. Muut aineet tasapainoon, Cr 2 O 7 2 aq + 6Cl aq + 14H + aq 2Cr 3+ aq + 3Cl 2 g + 7H 2 O l. Vaihe 4. Tsekataan sähkövaraukset Lähtöaineet: 1 2 + 6 1 + 14 +1 = +6 Reaktiotuotteet: 2 +3 + 0 + 0 = +6 Tiivistelmä: Hapetus-pelkistymisreaktion tasapainotus Ensin luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrä Sitten atomien määrät Lopuksi sähkövaraukset 2
Osareaktiot ja reaktioyhtälön kertoimet Tarkastellaan vety-pommi reaktiota jolle hapetusluvut 0 Mg s + 2 Mg s + 2 HCl aq Mg 2+ aq + 2 Cl aq + H 2 g, +I I H Cl aq +II I 0 Mg 2+ aq + 2 Cl aq + H 2 g. MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4 Hapetuslukujen avulla voidaan todeta, että magnesium hapettuu ja vety pelkistyy. Sama asia voidaan ilmoittaa osareaktiomenetelmän avulla: Muodostetaan osareaktion runko päättelemällä hapettuva tai pelkistyvä alkuaine tai kemiallisesti järkevä rakenne, johon ko. alkuaine sisältyy. Miten? Hyödynnetään jännitesarjaa ja muita tietoja (normaalipotentiaalit). Hapettuminen Mg s Mg 2+ aq Pelkistyminen H + aq H 2 g Nyt tarkastellaan erikseen molempia reaktioita ja lopuksi yhdistetään tiedot. 3
Tarkastelu tehdään vaihe vaiheelta. Lisäksi jokaisen tasapainotusvaiheen jälkeen on huolehdittava siitä, etteivät jo tasapainotettujen alkuaineiden tai elektronien määrät osareaktiossa muutu. 1. Vaihe: Tarkistetaan hapettuvan alkuaineen atomien määrät reaktioyhtälön molemmilla puolilla tasapainotus tarvittaessa. Nyt esimerkissä Mg-atomien lukumäärät on sama Mg s Mg 2+ aq. 2. Vaihe: Tarkistetaan hapen määrä. Nyt tässä esimerkissä ei happea ole mukana hapettumisreaktiossa. 3. Vaihe: Tarkistetaan vedyn määrä. Nyt tässä esimerkissä ei vetyä ole mukana hapettumisreaktiossa. 4. Vaihe: Tasapainotetaan varaukset. Nyt esimerkissä yhdestä Mg-atomista syntyy kaksi elektronia. Näin ollen Mg s Mg 2+ aq + 2 e. Lopuksi tarkistetaan, että varausten summa on molemmilla puolilla samat. Näin on, sillä 0 = +2 + 2 1, OK. Tehdään sama pelkistysreaktiolle. 1. Vaihe: Tarkistetaan pelkistyvän alkuaineen atomien määrät reaktioyhtälön molemmilla puolilla tasapainotus tarvittaessa. Nyt esimerkissä H-atomien lukumäärä ei ole sama H + aq H 2 g. Lähtöpuolelle on lisättävä yksi vety, siis 2 H + aq H 2 g. 2. Vaihe: Tarkistetaan hapen määrä. Nyt tässä esimerkissä ei happea ole mukana pelkistymisreaktiossa. 3. Vaihe: Tarkistetaan vedyn määrä. Nyt tässä esimerkissä ei vetyä ole mukana pelkistymisreaktiossa. 4. Vaihe: Tasapainotetaan varaukset. Nyt esimerkissä kahdesta H + -ionista syntyy yksi vetymolekyyli H 2. Näin ollen 2 H + aq + 2 e H 2 g. Lopuksi tarkistetaan, että varausten summa on molemmilla puolilla samat. Näin on, sillä 2 +1 + 2 1 = 0, OK. Näin saatuja reaktioita kutsutaan osareaktioiksi. Ne tapahtuvat aina samanaikaisesti. Kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. 4
Kokonaisreaktio saadaan, kun osareaktiot lasketaan yhteen puolittain: Hapettuminen Mg s Mg 2+ aq + 2 e Pelkistyminen 2 H + aq + 2 e H 2 g Kokonaisreaktio Mg s + 2 H + aq Mg 2+ aq + H 2 g Tarkistetaan vielä, että eri atomien lukumäärät lähtöaineissa ja tuotteissa ovat yhtä suuret ja että varausten summat ovat samat. On hyvää kemiaa vielä lisätä kloridi-ionit mukaan (tosin ei ole pakko). Saadaan lopulta Mg s + 2 HCl aq Mg 2+ aq + 2 Cl aq + H 2 g. Haastavat esimerkit moniste. Osareaktioiden avulla kannattaa tasapainottaa erityisesti vesiliuoksissa tapahtuvia hapettumis-pelkistymisreaktioita. Menetelmän varmuus korostuu, kun reaktiot ovat monimutkaisia. Atomien ja elektronien säilymiseen perustuva tapa (3.-kurssi) on yleispätevä ja nopea menetelmä, jolla voi tasapainottaa nopeasti useampia reaktioita. Kannattanee käyttää orgaanisten yhdisteiden kanssa ja kun ei ole vesiliuos. Hapen ja vedyn tasapainottaminen vesiliuoksissa Vesiliuoksissa tapahtuvissa osareaktioissa vety ja happi tasapainotetaan lisäämällä reaktioyhtälöön tarpeen mukaan H + -ioneja tai vettä (hapan liuos) ja OH -ioneja tai vettä (emäksinen liuos). Seuraavaa taulukkoa voi käyttää tasapainottamisen apuna. Huomaa, että tässä vaiheessa happi ja vety eivät hapetu tai pelkisty, eli niiden hapetusluvut eivät muutu. Ellei reaktioseoksen happo-emäsominaisuuksia mainita, toimitaan kuten happamissa olosuhteissa. Liuos Lähtöaineisiin tarvitaan Lähtöaineisiin lisätään Tuotteisiin jää Hapan H H + Hapan O H 2 O 2 H + Emäksinen H H 2 O OH Emäksinen O 2 OH H 2 O 5
6
7