Reakcje redoks są to reakcje jednoczesnego utleniania i redukcji, w których pierwiastki

występujące w tych przemianach zmieniają swoją wartościowość, a dokładniej mówiąc stopień

utlenienia. Stopień utlenienia pierwiastka jest pojęciem umownym, które można zdefiniować

następująco:

Stopień utlenienia wskazuje, ile ładunków dodatnich lub ujemnych można przypisać atomowi

danego pierwiastka przy założeniu, że tworzy on z atomami drugiego pierwiastka tylko

wiązania jonowe.

Przy ustalaniu stopnia utlenienia stosuje się następujące reguły:

1. Stopień utlenienia pierwiastków w stanie wolnym równy jest zeru.

2. Stopień utlenienia wodoru w większości związków wynosi +I.

Wyjątkiem są wodorki metali I i II grupy układu okresowego, w których wodór przyjmuje stopień

utlenienia -I (np. NaH, CaH2)

3. Fluor we wszystkich związkach występuje na -I stopniu utlenienia.

4. Stopień utlenienia tlenu, w większości związków wynosi -II. Wyjątkiem są nadtlenki, w których

stopień utlenienia wynosi -I np. H2O2, Na2O2, BaO2) oraz fluorek tlenu OF2, w którym tlen jest na +II

stopniu utlenienia.

5. Sumaryczny ładunek wszystkich atomów w związku chemicznym równy jest zeru, a w przypadku

jonów równy jest ładunkowi jonu.

W oparciu o powyższe reguły łatwo można ustalić stopnie utlenienia węgla w związkach: CO,

CO2, CH4, CCl4, H2CO3, CH3OH. Wynoszą one odpowiednio: +II, +IV, -IV, +IV, +IV, -II

W reakcjach redoks następuje, jak już powiedziano, zmiana stopnia utlenienia pierwiastków.

Rozpatrzmy reakcję:

Fe + 1

/2O2 = FeO

Jest to prosta reakcja utlenienia. W jej trakcie atom żelaza zmienił stopień utlenienia z 0 na +II, a atom

tlenu z 0 na -II. Analogiczne zmiany obserwuje się podczas reakcji żelaza z siarką

Fe + S = FeS

Proces wzrostu stopnia utlenienia żelaza jaki obserwujemy w obydwóch przypadkach jest identyczny.

Nadano mu nazwę utleniania. Utlenianiem, w ogólnym sensie, będziemy nazywali proces wzrostu

stopnia utlenienia pierwiastka. Towarzyszy mu zawsze oddawanie elektronów:

Fe - 2e = Fe+II

Równocześnie drugi pierwiastek łącząc się z żelazem obniżył swój stopień utlenienia. Uległ redukcji

pobierając elektrony:

S + 2e = S

-II

Substancja ulegająca redukcji nosi nazwę utleniacza, a reduktorem jest substancja, która się utlenia.

Zapis procesów utleniania i redukcji pozwala na przeprowadzenie bilansu elektronowego i łatwe

uzgodnienie reakcji redoks.

Przykład 1. Uzgodnić reakcję redoks:

C+ H2SO4 = CO2 + SO2 + H2O

Aby uzgodnić tę reakcję należy stwierdzić, które pierwiastki biorą udział w procesie utleniania i

redukcji oraz jakim zmianom ulegają. Węgiel występujący po lewej stronie reakcji jest w stanie

wolnym, więc przyjmujemy jego stopien utlenienia za 0. Po prawej stronie reakcji występuje w postaci

dwutlenku węgla, w którym utlenienia wynosi +IV. Siarka w kwasie siarkowym występuje na +VI

stopniu utlenienia, a po prawej stronie reakcji na +IV. Powyższe zmiany stopni utlenienia pierwiastków

można zapisać:

C

0 → C+IV

S

+VI → S+IVKonsekwencją powyższego zapisu są równania elektronowe pokazujące liczbę elektronów biorących

udział w procesach utleniania i redukcji:

C

0

- 4e → C+IV utlenianie

S

+VI + 2e → S+IV redukcja

Aby uzgodnić zapis reakcji należy przeprowadzić bilans elektronowy polegający na zrównaniu

ilości elektronów w obydwóch procesach. Osiąga się to ustalając najmniejszą wspólną wielokrotność

dla liczby elektronów i mnożąc równanie porzez odpowiednie współczynniki. Dla omawianego

przykładu równanie redukcji należy pomnożyć przez 2.

C

0

- 4e → C+IV

2S

+VI + 4e → 2S+IV

Powyższy zapis wprowadzamy do uzgadnianego równania

C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + H2O

Resztę współczynników uzgadniamy bilansując liczbę pozostałych atomów. Ostatecznie równanie

przyjmuje postać:

C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O

Przykład 2. Uzgodnić równanie:

KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 = K2SO4 + MnSO4 + Fe2(SO4)3 + H2O

Po sprawdzeniu stopni utlenienia pierwiastków występujących w reakcji ustalamy, że

zachodzą następujące procesy:

Mn+VII

+ 5e → Mn

+II

Fe

+II

- 1e → Fe

+III

Przeprowadzenie bilansu elektronów wymaga pomnożenia drugiego procesu przez 5. Prowadzi to do

trudności związanych z ułamkowymi współczymnnikami stechiometrycznymi w określeniu liczby moli

niektórych związków np. Fe2(SO4)3. Można tego uniknąć zwielokrotniając mnożniki, to znaczy w tym

przypadku mnożąc równanie pierwsze przez 2, a drugie przez 10. Ustala to bilans elektronowy na

poziomie 10 elektronów.

2Mn

+VII + 10e → 2Mn+II

10Fe+II - 10e → 10Fe

+III

Ustalone współczynniki wprowadzamy do równania i dobieramy pozostałe współczynniki związków nie

biorących udziału w procesie redoks. Końcowy zapis równania przedstawia się następująco:

2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 = K2SO4 + 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + 8H2O

Przykład 3. Uzgodnić reakcję redoks:

HNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + NO + H2O

Przy uzgadnianiu tej reakcji warto zwrócić uwagę na podwójną rolę kwasu azotowego(V),

występującego jako utleniacz miedzi oraz jako reagent tworzący sól z jonami miedzi. Po uzgodnieniu

procesów utleniania i redukcji

N

V

+ 3e → NII

/⋅2

Cu0

- 2e → Cu

II

/⋅3

mamy prawo zapisać pierwszy etap reakcji

2HNO3 + 3Cu = 3CuO + 2NO + H2O

Drugi etap polega na reakcji dodatkowych porcji kwasu azotowego z wytworzonym tlenkiem miedzi(II)

6HNO3 + 3CuO = 3Cu(NO3)2 + 3H2O

Sumaryczny przebieg reakcji podaje równanie:

8HNO3 + 3Cu = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 3H2O

Przykład 4. Uzgodnić reakcję redoks:

FeS2 + O2 = Fe2O3 + SO2

W tej reakcji trzy pierwiastki zmieniają stopnie utlenienia. Piryt FeS2 jest dwusiarczkiem

żelaza, w którym żelazo jest na +II stopniu utlenienia, a siarka na -I. W trakcie reakcji utlenia się cały

związek, to znaczy zarówno żelazo jak i siarka. Dlatego musimy rozpatrywać utlenianie tych dwóch

pierwiastków w takim stosunku stechiometrycznym, w jakim występują w związku macierzystym.

A więc, utleniać się będzie cząsteczka składająca się z jednego atomu żelaza i dwóch atomów siarki

Fe

II

- 1e → Fe

III

2S

-I

- 10e → 2S

IV

Na utlenienie 1 cząsteczki FeS2 potrzeba 11 elektronów, które dostarczy tlen:

O2 + 4e → 2O-IIPrzeprowadzamy bilans elektronowy i znajdujemy współczynniki równania:

Fe

II

- 1e → FeIII

/⋅4

2S

-I

- 10e → 2S

IV /⋅4

O2 + 4e → 2O-II

/⋅11

co daje

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2