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