17.1: Kusawazisha athari za Kupunguza Oxidation

Malengo ya kujifunza

• Eleza electrochemistry na idadi ya maneno muhimu yanayohusiana
• Split athari za kupunguza oxidation katika athari zao za nusu za oxidation na kupunguza athari za nusu
• Kuzalisha usawa wa kupunguza oxidation kwa athari katika suluhisho la tindikali au la msingi
• Kutambua mawakala oxidizing na kupunguza mawakala

Umeme inahusu matukio kadhaa yanayohusiana na uwepo na mtiririko wa malipo ya umeme. Umeme unajumuisha vitu tofauti kama umeme, umeme wa tuli, sasa unaozalishwa na betri kama inavyovuja, na mvuto mwingine mwingi katika maisha yetu ya kila siku. Mtiririko au harakati ya malipo ni sasa ya umeme (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Electroni au ions zinaweza kubeba malipo. Kitengo cha msingi cha malipo ni malipo ya proton, ambayo ni sawa na ukubwa kwa malipo ya elektroni. Kitengo cha malipo ya SI ni coulomb (C) na malipo ya proton ni 1.602 × 10 ^{,119 C.} uwepo wa malipo ya umeme huzalisha shamba la umeme. Umeme wa sasa ni kiwango cha mtiririko wa malipo.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Matukio yanayohusiana na umeme ni pamoja na umeme, mkusanyiko wa umeme wa tuli, na sasa zinazozalishwa na betri. (mikopo kushoto: mabadiliko ya kazi na Thomas Bresson; mikopo katikati: mabadiliko ya kazi na Chris Darling; haki ya mikopo: mabadiliko ya kazi na Windell Oskay).

Kitengo cha SI cha sasa cha umeme ni kitengo cha msingi cha SI kinachoitwa ampere (A), ambayo ni kiwango cha mtiririko wa coulomb 1 ya malipo kwa pili (1 A = 1 C/s). Sasa umeme inapita katika njia, inayoitwa mzunguko wa umeme. Katika mifumo mingi ya kemikali, ni muhimu kudumisha njia iliyofungwa ya sasa ya mtiririko. Mtiririko wa malipo huzalishwa na tofauti ya uwezo wa umeme, au uwezo, kati ya pointi mbili katika mzunguko. Uwezo wa umeme ni uwezo wa shamba la umeme kufanya kazi kwa malipo. Kitengo cha SI cha uwezo wa umeme ni volt (V). Wakati 1 coulomb ya malipo inapita kupitia tofauti tofauti ya volt 1, inapata au kupoteza 1 joule (J) ya nishati. \(\PageIndex{1}\)Jedwali linafupisha baadhi ya habari hii kuhusu umeme.

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Masharti ya kawaida ya umeme

Wingi	Ufafanuzi	Kipimo au Kitengo
Malipo ya umeme	Malipo kwenye proton	1.602 × ^10 -19 C
Umeme wa sasa	Harakati ya malipo	ampere = A = 1 C/s
Uwezo wa umeme	Nguvu ya kujaribu kusonga malipo	volt = V = J/C
Umeme shamba	Nguvu inayofanya juu ya mashtaka mengine katika maeneo ya jirani

Electrochemistry inasoma athari za kupunguza oxidation, ambazo zilijadiliwa kwanza katika sura ya awali, ambapo tulijifunza kwamba oxidation ilikuwa kupoteza elektroni na kupunguza ilikuwa faida ya elektroni. Athari zilizojadiliwa zilikuwa rahisi sana, na uhifadhi wa wingi (atomu kuhesabu kwa aina) na kupata usawa wa kemikali wa usawa wa usahihi ulikuwa rahisi. Katika sehemu hii, tutazingatia njia ya nusu ya majibu ya kusawazisha athari za kupunguza oxidation. Matumizi ya nusu-athari ni muhimu sehemu kwa kusawazisha athari ngumu zaidi na sehemu kwa sababu mambo mengi ya electrochemistry ni rahisi kujadili katika suala la nusu-reactions. Kuna mbinu mbadala za kusawazisha athari hizi; hata hivyo, hakuna njia mbadala nzuri za athari za nusu kwa kujadili kile kinachotokea katika mifumo mingi. Njia ya nusu ya mmenyuko hugawanya athari za kupunguza oksidi katika “nusu” yao ya oxidation na kupunguza “nusu” ili kupata equation ya jumla iwe rahisi.

Athari za electrochemical hutokea mara nyingi katika ufumbuzi, ambayo inaweza kuwa tindikali, msingi, au neutral. Wakati wa kusawazisha athari za kupunguza oxidation, asili ya suluhisho inaweza kuwa muhimu. Inasaidia kuona hili katika tatizo halisi. Fikiria majibu yafuatayo yasiyo na usawa wa oksidi katika suluhisho la tindikali:

\[\ce{MnO4-}(aq)+\ce{Fe^2+}(aq)⟶\ce{Mn^2+}(aq)+\ce{Fe^3+}(aq) \nonumber \]

Tunaweza kuanza kwa kukusanya aina tuna hadi sasa katika unbalanced oxidation nusu mmenyuko na unbalanced kupunguza nusu mmenyuko. Kila moja ya athari hizi za nusu zina kipengele sawa katika majimbo mawili tofauti ya oxidation. Fe ^{2 +} imepoteza elektroni kuwa Fe ^{3 +}; kwa hiyo, chuma kilipata oxidation. Kupunguza si dhahiri; hata hivyo, manganese ilipata elektroni tano kubadilika kutoka Mn ^{7 +} hadi Mn ^{2 +}.

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {oxidation (unbalanced):}\ ce {Fe ^ 2+} (aq)\ ce {Fe ^ 3+} (aq)\\
&\ maandishi {kupunguza (unbalanced):}\ ce {mNO4-} (aq)\ ce {Mn ^ 2+} (aq)
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Katika suluhisho la tindikali, kuna ions za hidrojeni zilizopo, ambazo mara nyingi zinafaa katika kusawazisha athari za nusu. Inaweza kuwa muhimu kutumia ions hidrojeni moja kwa moja au kama reactant ambayo inaweza kuguswa na oksijeni kuzalisha maji. Ioni za hidrojeni ni muhimu sana katika ufumbuzi wa tindikali ambapo majibu au bidhaa zina hidrojeni na/au oksijeni. Katika mfano huu, nusu-mmenyuko wa oxidation hauhusishi hidrojeni wala oksijeni, hivyo ioni za hidrojeni sio lazima kwa kusawazisha. Hata hivyo, kupunguza nusu-mmenyuko huhusisha oksijeni. Ni muhimu kutumia ions hidrojeni kubadili oksijeni hii kwa maji.

\[\textrm{charge not balanced: }\ce{MnO4-}(aq)+\ce{8H+}(aq)⟶\ce{Mn^2+}(aq)+\ce{4H2O}(l) \nonumber \]

Hali ni tofauti katika suluhisho la msingi kwa sababu mkusanyiko wa ioni hidrojeni ni wa chini na mkusanyiko wa ioni ya hidroksidi ni kubwa zaidi. Baada ya kumaliza mfano huu, tutachunguza jinsi ufumbuzi wa msingi unatofautiana na ufumbuzi wa tindikali. Suluhisho la neutral linaweza kutibiwa kama tindikali au msingi, ingawa kutibu kama tindikali kwa kawaida ni rahisi.

Atomi za chuma katika mmenyuko wa nusu ya oxidation ni uwiano (usawa wa wingi); hata hivyo, malipo ni unbalanced, kwani mashtaka juu ya ions si sawa. Ni muhimu kutumia elektroni kusawazisha malipo. Njia ya kusawazisha malipo ni kwa kuongeza elektroni upande mmoja wa equation. Kuongeza elektroni moja upande wa kulia hutoa oxidation ya uwiano wa nusu ya mmenyuko:

\[\textrm{oxidation (balanced): }\ce{Fe^2+}(aq)⟶\ce{Fe^3+}(aq)+\ce{e-} \nonumber \]

Unapaswa kuangalia nusu-mmenyuko kwa idadi ya kila aina ya atomi na malipo ya jumla kila upande wa equation. Mashtaka yanajumuisha mashtaka halisi ya ioni mara idadi ya ioni na malipo kwenye elektroni mara idadi ya elektroni.

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {Fe:}\ hesabu {Je\ :( 1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ maandishi {Malipo:}\ hesabu {Je\: [1× (+2)] = [1× (+3) +1× (-1)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Kama atomi na mashtaka usawa, nusu-mmenyuko ni uwiano. Katika athari za nusu za oxidation, elektroni huonekana kama bidhaa (upande wa kulia). Kama ilivyojadiliwa katika sura ya awali, tangu chuma kilipata oxidation, chuma ni wakala wa kupunguza.

Sasa kurudi kwenye equation ya nusu ya majibu ya kupunguza:

\[\textrm{reduction (unbalanced): }\ce{MnO4-}(aq)+\ce{8H+}(aq)⟶\ce{Mn^2+}(aq)+\ce{4H2O}(l) \nonumber \]

Atomi ni uwiano (usawa wa wingi), kwa hiyo sasa ni muhimu kuangalia usawa wa malipo. Malipo ya jumla upande wa kushoto wa mshale wa majibu ni [(-1) × (1) + (8) × (+1)], au +7, wakati malipo ya jumla upande wa kulia ni [(1) × (+2) + (4) × (0)], au +2. Tofauti kati ya +7 na +2 ni tano; kwa hiyo, ni muhimu kuongeza elektroni tano upande wa kushoto ili kufikia usawa wa malipo.

\[\textrm{Reduction (balanced): }\ce{MnO4-}(aq)+\ce{8H+}(aq)+\ce{5e-}⟶\ce{Mn^2+}(aq)+\ce{4H2O}(l) \nonumber \]

Unapaswa kuangalia majibu haya ya nusu kwa kila aina ya atomi na kwa malipo, pia:

\ [kuanza {align*}
&\ texture {Mn:}\ hesabu {Je\ :( 1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\: (8×1) =( 4×2)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {O:}\ hesabu {Je\ :( 1×4) =( 4×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ maandishi {Malipo:}\ hesabu {Je\: [1× (-1) +8× (+1) +5× (-1)] = [1× (+2)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Sasa kwa kuwa hii nusu-mmenyuko ni uwiano, ni rahisi kuona inahusisha kupunguza kwa sababu elektroni zilipatikana wakati\(\ce{MnO4-}\) ilipunguzwa hadi Mn ^{2 +}. Katika athari zote za kupunguza nusu, elektroni huonekana kama reactants (upande wa kushoto). Kama ilivyojadiliwa katika sura ya awali, aina zilizopunguzwa,\(\ce{MnO4-}\) katika kesi hii, pia huitwa wakala wa oxidizing. Sasa tuna nusu ya athari mbili za uwiano.

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {oxidation:}\ ce {Fe ^ 2+} (aq)\ ce {Fe ^ 3+} (aq) +\ ce {e-}\\
&\ maandishi {kupunguza:}\ ce {MnO4-} (q) +\ ce {8H +} (q) +\ ce {5e-}\ ce {Mn ^ 2 +} (aq) +\ ce {4H2O} (l)
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Sasa ni muhimu kuchanganya nusu mbili ili kuzalisha majibu yote. Funguo la kuchanganya nusu-athari ni elektroni. Electroni zilizopotea wakati wa oxidation lazima ziende mahali fulani. Elektroni hizi huenda kusababisha kupunguza. Idadi ya elektroni zilizohamishwa kutoka kwa nusu ya mmenyuko wa oxidation kwa kupunguza nusu ya majibu lazima iwe sawa. Hatuwezi kuwa na elektroni zilizopo au za ziada. Katika mfano huu, mmenyuko wa nusu ya oxidation huzalisha elektroni moja, wakati kupunguza nusu-mmenyuko inahitaji tano. Kiwango cha chini cha kawaida cha moja na tano ni tano; kwa hiyo, ni muhimu kuzidisha kila neno katika mmenyuko wa nusu ya oxidation kwa tano na kila muda katika kupunguza nusu ya mmenyuko kwa moja. (Katika kesi hii, kuzidisha kwa nusu ya majibu ya kupunguza huzalisha mabadiliko; hata hivyo, hii sio daima kuwa kesi.) Kuongezeka kwa athari mbili za nusu kwa sababu inayofaa ikifuatiwa na kuongeza ya nusu mbili hutoa

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {oxidation:} 5× (\ ce {Fe ^ 2+} (aq)\ ce {Fe ^ 3+} (aq) +\ ce {e-})\\
&\ kusisitiza {\ maandishi {kupunguza:}\ ce {mNO4-} (aq) +\ ce {5e-}\ ce {Mn ^ 2+} (aq) +\ ce {4H2O} (l)}\\
&\ maandishi {jumla:}\ ce {5Fe ^ 2+} (aq) +\ ce {mNO4-} (aq) +\ ce {8H +} (aq)\ ce {5Fe ^ 3+} ( aq) +\ ce {Mn ^ 2+} (aq) +\ ce {4H2O} (l)
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Electroni hazionekani katika jibu la mwisho kwa sababu elektroni za oksidi ni elektroni sawa na elektroni za kupunguza na “hughairi.” Angalia kwa makini kila upande wa equation ya jumla ili kuthibitisha kila kitu kiliunganishwa kwa usahihi:

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {Fe:}\ hesabu {Je\ :( 5×1) =( 5×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {Mn:}\ hesabu {Je\: (1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\: (8×1) =( 4×2)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {O:}\ hesabu {Je\ :( 1×4) =( 4×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ textrm {Malipo:}\ hesabu {Je\: [5× (+2) +1× (-1) +8× (+1)] = [5× (+3) +1× (+2)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Kila kitu hundi, hivyo hii ni equation jumla katika ufumbuzi tindikali. Ikiwa kitu hakiangalia, hitilafu ya kawaida hutokea wakati wa kuzidisha kwa athari za nusu ya mtu binafsi.

Sasa tuseme tulitaka ufumbuzi kuwa wa msingi. Kumbuka kwamba ufumbuzi wa msingi una ions nyingi za hidroksidi. Baadhi ya ions hizi hidroksidi zitaitikia na ioni za hidrojeni kuzalisha maji. Njia rahisi zaidi ya kuzalisha usawa wa jumla wa usawa katika suluhisho la msingi ni kuanza na usawa wa usawa katika suluhisho la tindikali, halafu “kubadilisha” kwa equation kwa ufumbuzi wa msingi. Hata hivyo, ni muhimu kutumia tahadhari wakati wa kufanya hivyo, kama majibu mengi hufanya tofauti chini ya hali ya msingi na ions nyingi za chuma zitapungua kama hidroksidi ya chuma. Tulizalisha tu majibu yafuatayo, ambayo tunataka kubadili kwa majibu ya msingi:

\[\ce{5Fe^2+}(aq)+\ce{MnO4-}(aq)+\ce{8H+}(aq)⟶\ce{5Fe^3+}(aq)+\ce{Mn^2+}(aq)+\ce{4H2O}(l) \nonumber \]

Hata hivyo, chini ya hali ya msingi, kwa\(\ce{MnO4-}\) kawaida hupunguza kwa MNO ₂ na chuma kitakuwapo kama Fe (OH) ₂ au Fe (OH) ₃. Kwa sababu hizi, chini ya hali ya msingi, mmenyuko huu utakuwa

\[\ce{3Fe(OH)2}(s)+\ce{MnO4-}(aq)+\ce{2H2O}(l)⟶\ce{3Fe(OH)3}(s)+\ce{MnO2}(s)+\ce{OH-}(aq) \nonumber \]

(Chini ya hali ya msingi sana\(\ce{MnO4-}\) kupunguza kwa\(\ce{MnO4^2-}\), badala ya MNo ₂.)

Bado inawezekana kusawazisha mmenyuko wowote wa kupunguza oxidation kama mmenyuko wa tindikali na kisha, wakati wa lazima, kubadilisha equation kwa mmenyuko wa msingi. Hii itafanya kazi kama tindikali na msingi reactants na bidhaa ni sawa au kama reactants msingi na bidhaa ni kutumika kabla ya uongofu kutoka tindikali au msingi. Kuna mifano machache sana ambayo athari za tindikali na za msingi zitahusisha majibu sawa na bidhaa. Hata hivyo, kusawazisha mmenyuko wa msingi kama tindikali na kisha kugeuka kwa msingi utafanya kazi. Ili kubadilisha kwa mmenyuko wa msingi, ni muhimu kuongeza idadi sawa ya ioni za hidroksidi kwa kila upande wa equation ili ions zote za hidrojeni (H ⁺) ziondolewa na usawa wa wingi huhifadhiwa. Ioni ya hidrojeni inachanganya na ioni ya hidroksidi (OH ^-) kuzalisha maji

Hebu sasa jaribu equation ya msingi. Tutaanza na majibu yafuatayo ya msingi:

\[\ce{Cl-}(aq)+\ce{MnO4-}(aq)⟶\ce{ClO3-}(aq)+\ce{MnO2}(s) \nonumber \]

Kusawazisha hii kama asidi inatoa

\[\ce{Cl-}(aq)+\ce{2MnO4-}(aq)+\ce{2H+}(aq)⟶\ce{ClO3-}(aq)+\ce{2MnO2}(s)+\ce{H2O}(l) \nonumber \]

Katika kesi hiyo, ni muhimu kuongeza ions mbili za hidroksidi kwa kila upande wa equation ili kubadilisha ions mbili za hidrojeni upande wa kushoto ndani ya maji:

\[\ce{Cl-}(aq)+\ce{2MnO4-}(aq)+\ce{(2H+ + 2OH- )}(aq)⟶\ce{ClO3-}(aq)+\ce{2MnO2}(s)+\ce{H2O}(l)+\ce{2OH-}(aq) \nonumber \]

\[\ce{Cl-}(aq)+\ce{2MnO4-}(aq)+\ce{(2H2O)}(l)⟶\ce{ClO3-}(aq)+\ce{2MnO2}(s)+\ce{H2O}(l)+\ce{2OH-}(aq) \nonumber \]

Kumbuka kwamba pande zote mbili za equation zinaonyesha maji. Kurahisisha lazima kufanyika wakati ni lazima, na inatoa equation taka. Katika kesi hiyo, ni muhimu kuondoa moja H ₂ O kutoka kila upande wa mishale ya majibu.

\[\ce{Cl-}(aq)+\ce{2MnO4-}(aq)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{ClO3-}(aq)+\ce{2MnO2}(s)+\ce{2OH-}(aq) \nonumber \]

Tena, angalia kila upande wa usawa wa jumla ili uhakikishe kuwa hakuna makosa:

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {Cl:}\ hesabu {Je\ :( 1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {Mn:}\ hesabu {Je\: (2×1) =( 2×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\: (1×2) =( 2×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ maandishi {O:}\ hesabu {Je\: (2×4+1×1) =( 3×1+2×2×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {Malipo:}\ hesabu {Je\: [1× (-1) +2× (-1)] = [1× (-1) +2× (-1)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Kila kitu hundi, hivyo hii ni equation jumla katika ufumbuzi wa msingi.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Balancing Acidic Oxidation-Reduction Reactions

Weka usawa wa majibu yafuatayo katika suluhisho la tindikali:

\[\ce{MnO4-}(aq)+\ce{Cr^3+}(aq)⟶\ce{Mn^2+}(aq)+\ce{Cr2O7^2-}(aq) \nonumber \]

Solution

Hii ni mmenyuko wa kupunguza oxidation, hivyo kuanza kwa kukusanya aina zilizotolewa katika mmenyuko wa nusu ya oxidation isiyo na usawa na kupunguza nusu-mmenyuko.

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {oxidation (unbalanced):}\ ce {Cr ^ 3+} (aq)\ ce {Cr2O7 ^ 2-} (aq)\\
&\ maandishi {kupunguza (unbalanced):}\ ce {mNO4-} (aq)\ ce {Mn ^ 2+}
\ mwisho {align*}\ hakuna idadi\]

Kuanzia na mmenyuko wa nusu ya oxidation, tunaweza kusawazisha chromium

\[\textrm{oxidation (unbalanced): }\ce{2Cr^3+}(aq)⟶\ce{Cr2O7^2-}(aq) \nonumber \]

Katika suluhisho la tindikali, tunaweza kutumia au kuzalisha ions hidrojeni (H ⁺). Kuongeza molekuli saba za maji upande wa kushoto hutoa oksijeni muhimu; “kushoto juu” hidrojeni inaonekana kama 14 H ⁺ upande wa kulia:

\[\textrm{oxidation (unbalanced): }\ce{2Cr^3+}(aq)+\ce{7H2O}(l)⟶\ce{Cr2O7^2-}(aq)+\ce{14H+}(aq) \nonumber \]

Upande wa kushoto wa equation una malipo ya jumla ya [2 × (+3) = +6], na upande wa kulia malipo ya jumla ya [-1 + 14 × (+1) = +12]. Tofauti ni sita; kuongeza elektroni sita upande wa kulia hutoa mchanganyiko wa nusu ya mchanganyiko na malipo (katika suluhisho la tindikali):

\[\textrm{oxidation (balanced): }\ce{2Cr^3+}(aq)+\ce{7H2O}(l)⟶\ce{Cr2O7^2-}(aq)+\ce{14H+}(aq)+\ce{6e-} \nonumber \]

Kuangalia majibu ya nusu:

\ [kuanza {align*}
&\ texture {Cr:}\ hesabu {Je\ :( 2×1) =( 1×2)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\ :( 7×2) =( 14×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {O:}\ hesabu {Je\ :( 7×1) =( 1×7)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {Malipo:}\ hesabu {Je\: [2× (+3)] = [1× (-1) +14× (+1) +6× (-1)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Sasa kazi ya kupunguza. Ni muhimu kubadili atomi nne za oksijeni katika permanganate katika molekuli nne za maji. Ili kufanya hivyo, ongeza H nane ⁺ kubadili oksijeni katika molekuli nne za maji:

\[\textrm{reduction (unbalanced): }\ce{MnO4-}(aq)+\ce{8H+}(aq)⟶\ce{Mn^2+}(aq)+\ce{4H2O}(l) \nonumber \]

Kisha kuongeza elektroni tano upande wa kushoto ili kusawazisha malipo:

\[\textrm{reduction (balanced): }\ce{MnO4-}(aq)+\ce{8H+}(aq)+\ce{5e-}⟶\ce{Mn^2+}(aq)+\ce{4H2O}(l) \nonumber \]

Hakikisha kuangalia majibu ya nusu:

\ [kuanza {align*}
&\ texture {Mn:}\ hesabu {Je\ :( 1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\: (8×1) =( 4×2)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {O:}\ hesabu {Je\ :( 1×4) =( 4×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ maandishi {Malipo:}\ hesabu {Je\: [1× (-1) +8× (+1) +5× (-1)] = [1× (+2)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Kukusanya kile tulicho nacho hadi sasa:

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {oxidation:}\ ce {2Cr ^ 3+} (aq) +\ ce {7H2O} (l)\ ce {Cr2O7 ^ 2-} (aq) +\ ce {14H +} (aq) +\ ce {6e-}\\
&\ textrm {kupunguza}\ ce {mNO4-} (aq)) +\ ce {8H +} (aq) +\ ce {5e-}\ ce {Mn ^ 2+} (aq) +\ ce {4H2O} (l)
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Nyingi ya kawaida kwa elektroni ni 30, hivyo kuzidisha oxidation nusu mmenyuko na tano, kupunguza nusu mmenyuko na sita, kuchanganya, na kurahisisha:

\[\ce{10Cr^3+}(aq)+\ce{35H2O}(l)+\ce{6MnO4-}(aq)+\ce{48H+}(aq)⟶\ce{5Cr2O7^2-}(aq)+\ce{70H+}(aq)+\ce{6Mn^2+}(aq)+\ce{24H2O}(l) \nonumber \]

\[\ce{10Cr^3+}(aq)+\ce{11H2O}(l)+\ce{6MnO4-}(aq)⟶\ce{5Cr2O7^2-}(aq)+\ce{22H+}(aq)+\ce{6Mn^2+}(aq) \nonumber \]

Kuangalia kila upande wa equation:

\ [kuanza {align*}
&\ texture {Mn:}\ hesabu {Je\ :( 6×1) =( 6×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {Cr:}\ hesabu {Je\ :( 10×1) =( 5×2)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\: (11×2) =( 22×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {O:}\ hesabu {Je\: (11×1+6×4) =( 5×7)? \ :Ndiyo.} \\
&\ textrm {Malipo:}\ hesabu {Je\: [10× (+3) +6× (-1)] = [5× (-1) +2) +2× (+1) +6× (+2)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Hii ni equation uwiano katika ufumbuzi tindikali.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Weka usawa wafuatayo katika suluhisho la tindikali:

\[\ce{Hg2^2+ + Ag ⟶ Hg + Ag+} \nonumber \]

Jibu

\[\ce{Hg2^2+}(aq)+\ce{2Ag}(s)⟶\ce{2Hg}(l)+\ce{2Ag+}(aq) \nonumber \]

Mfano\(\PageIndex{2}\): Balancing Basic Oxidation-Reduction Reactions

Mizani yafuatayo mmenyuko equation katika ufumbuzi wa msingi:

\[\ce{MnO4-}(aq)+\ce{Cr(OH)3}(s)⟶\ce{MnO2}(s)+\ce{CrO4^2-}(aq) \nonumber \]

Soluti juu

Hii ni mmenyuko wa kupunguza oxidation, hivyo kuanza kwa kukusanya aina zilizotolewa katika oxidation isiyo na usawa wa nusu mmenyuko na kupunguza unbalanced nusu-mmenyuko

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {oxidation (unbalanced):}\ ce {Cr (OH) 3} (s)\ ce {Cro4 ^ 2-} (aq)\\
&\ maandishi {kupunguza (unbalanced):}\ ce {mNO4-} (aq)\ ce {mNO2} (s)
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Kuanzia na mmenyuko wa nusu ya oxidation, tunaweza kusawazisha chromium

\[\textrm{oxidation (unbalanced): }\ce{Cr(OH)3}(s)⟶\ce{CrO4^2-}(aq) \nonumber \]

Katika suluhisho la tindikali, tunaweza kutumia au kuzalisha ions hidrojeni (H ⁺). Kuongeza molekuli moja ya maji upande wa kushoto hutoa oksijeni muhimu; “kushoto juu” hidrojeni inaonekana kama H tano ⁺ upande wa kulia:

\[\textrm{oxidation (unbalanced): }\ce{Cr(OH)3}(s)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{CrO4^2-}(aq)+\ce{5H+}(aq) \nonumber \]

Upande wa kushoto wa equation una malipo ya jumla ya [0], na upande wa kulia ni malipo ya jumla ya [-1 + 5 × (+1) = +3]. Tofauti ni tatu, na kuongeza elektroni tatu upande wa kulia hutoa mchanganyiko wa nusu ya mchanganyiko na malipo (katika suluhisho la tindikali):

\[\textrm{oxidation (balanced): }\ce{Cr(OH)3}(s)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{CrO4^2-}(aq)+\ce{5H+}(aq)+\ce{3e-} \nonumber \]

Kuangalia majibu ya nusu:

\ [kuanza {align*}
&\ texture {Cr:}\ hesabu {Je\ :( 1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\: (1×3+1×2) =( 5×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {O:}\ hesabu {Je\ :( 1×3+1×1) =( 4×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ textrm {Malipo:}\ hesabu {Je\: [0= [1× (-1) +5× (+1) +3× (-1)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Sasa kazi ya kupunguza. Ni muhimu kubadili atomi nne za O katika MNO ₄ ^- minus atomi mbili O katika mNO ₂ kuwa molekuli mbili za maji. Ili kufanya hivyo, ongeza H nne ⁺ kubadili oksijeni katika molekuli mbili za maji:

\[\textrm{reduction (unbalanced): }\ce{MnO4-}(aq)+\ce{4H+}(aq)⟶\ce{MnO2}(s)+\ce{2H2O}(l) \nonumber \]

Kisha kuongeza elektroni tatu upande wa kushoto ili kusawazisha malipo:

\[\textrm{reduction (balanced): }\ce{MnO4-}(aq)+\ce{4H+}(aq)+\ce{3e-}⟶\ce{MnO2}(s)+\ce{2H2O}(l) \nonumber \]

Hakikisha kuangalia majibu ya nusu:

\ [kuanza {align*}
&\ texture {Mn:}\ hesabu {Je\ :( 1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\: (4×1) =( 2×2)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {O:}\ hesabu {Je\ :( 1×4) =( 1×2+2×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ maandishi {Malipo:}\ hesabu {Je\: [1× (-1) +4× (+1) +3× (-1)] = [0]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Kukusanya kile tulicho nacho hadi sasa:

\ [kuanza {align*}
&\ textrm {oxidation:}\ ce {Cr (OH) 3} (s) +\ ce {H2O} (l)\ ce {Cro4 ^ 2-} (aq) +\ ce {5H +} (aq) +\ ce {3e-}\\
&\ textrm {kupunguza:}\ ce {mNO4-} (aq) +\ ce {4H+} (aq) +\ ce {3e-}\ ce {mNO2} (s) +\ ce {2H2O} (l)
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Katika kesi hiyo, athari zote mbili za nusu zinahusisha idadi sawa ya elektroni; kwa hiyo, kuongeza tu athari mbili za nusu pamoja.

\[\ce{MnO4-}(aq)+\ce{4H+}(aq)+\ce{Cr(OH)3}(s)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{CrO4^2-}(aq)+\ce{MnO2}(s)+\ce{2H2O}(l)+\ce{5H+}(aq) \nonumber \]

\[\ce{MnO4-}(aq)+\ce{Cr(OH)3}(s)⟶\ce{CrO4^2-}(aq)+\ce{MnO2}(s)+\ce{H2O}(l)+\ce{H+}(aq) \nonumber \]

Kuangalia kila upande wa equation:

\ [kuanza {align*}
&\ texture {Mn:}\ hesabu {Je\ :( 1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {Cr:}\ hesabu {Je\: (1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\: (1×3) =( 2×1+1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {O:}\ hesabu {Je\: (1×4+1×3) =( 1×4+1×2+1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {Malipo:}\ hesabu {Je\: [1× (-1)] = [1× (-1) +1× (+1)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Hii ni equation uwiano katika ufumbuzi tindikali. Kwa suluhisho la msingi, ongeza ioni moja ya hidroksidi kwa kila upande na kurahisisha:

\[\ce{OH-}(aq)+\ce{MnO4-}(aq)+\ce{Cr(OH)3}(s)⟶\ce{CrO4^2-}(aq)+\ce{MnO2}(s)+\ce{H2O}(l)+\ce{(H+ + OH- )}(aq) \nonumber \]

\[\ce{OH-}(aq)+\ce{MnO4-}(aq)+\ce{Cr(OH)3}(s)⟶\ce{CrO4^2-}(aq)+\ce{MnO2}(s)+\ce{2H2O}(l) \nonumber \]

Kuangalia kila upande wa equation:

\ [kuanza {align*}
&\ texture {Mn:}\ hesabu {Je\ :( 1×1) =( 1×1)? \: Ndiyo.} \\
&\ Nakala {Cr:}\ hesabu {Je\: (1×1) =( 1×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {H:}\ hesabu {Je\: (1×1+1×3) =( 2×2)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {O:}\ hesabu {Je\: (1×1+1×4+1×3) =( 1×4+1×2×1)? \ :Ndiyo.} \\
&\ Nakala {Malipo:}\ hesabu {Je\: [1× (-1) +1× (-1)] = [1× (¯ 2)]? \ :Ndiyo.}
\ mwisho {align*}\ nonumber\]

Hii ni equation uwiano katika ufumbuzi wa msingi.

Zoezi\(\PageIndex{2}\)

Kusawazisha zifuatazo katika aina ya suluhisho iliyoonyeshwa.

1. \(\ce{H2 + Cu^2+ ⟶ Cu \:\:\:(acidic\: solution)}\)
2. \(\ce{H2 + Cu(OH)2 ⟶ Cu\:\:\:(basic\: solution)}\)
3. \(\ce{Fe + Ag+ ⟶ Fe^2+ + Ag}\)
4. Tambua mawakala wa oxidizing katika athari (a), (b), na (c).
5. Tambua mawakala wa kupunguza katika athari (a), (b), na (c).

Jibu

\(\ce{H2}(g)+\ce{Cu^2+}(aq)⟶\ce{2H+}(aq)+\ce{Cu}(s)\)

Jibu b

\(\ce{H2}(g)+\ce{Cu(OH)2}(s)⟶\ce{2H2O}(l)+\ce{Cu}(s)\)

Jibu c

\(\ce{Fe}(s)+\ce{2Ag+}(aq)⟶\ce{Fe^2+}(aq)+\ce{2Ag}(s)\)

Jibu d

wakala oxidizing = aina kupunguzwa: Cu ^{2 +}, Cu (OH) ₂, Ag ⁺

Jibu e

kupunguza wakala = aina iliyooksidishwa: H ₂, H ₂, Fe.

Muhtasari

Sasa umeme una malipo ya kusonga. Malipo yanaweza kuwa katika mfumo wa elektroni au ions. Sasa inapita kupitia njia isiyovunjika au imefungwa mviringo inayoitwa mzunguko. Ya sasa inapita kupitia kati ya uendeshaji kama matokeo ya tofauti katika uwezo wa umeme kati ya pointi mbili katika mzunguko. Uwezo wa umeme una vitengo vya nishati kwa malipo. Katika vitengo vya SI, malipo hupimwa katika coulombs (C), sasa katika amperes\(\mathrm{\left(A=\dfrac{C}{s}\right)}\), na uwezo wa umeme katika volts\(\mathrm{\left(V=\dfrac{J}{C}\right)}\).

Oxidation ni upotevu wa elektroni, na spishi ambazo ni oksidi huitwa pia wakala wa kupunguza. Kupunguza ni faida ya elektroni, na spishi zinazopunguzwa huitwa pia wakala wa oksidi. Athari za kupunguza oxidation zinaweza kuwa na usawa kwa kutumia njia ya nusu ya majibu. Kwa njia hii, mmenyuko wa kupunguza oxidation umegawanyika katika mmenyuko wa nusu ya oxidation na nusu ya mmenyuko wa kupunguza. Nusu-mmenyuko wa oxidation na kupunguza nusu ya mmenyuko ni kisha uwiano tofauti. Kila moja ya nusu-athari lazima iwe na idadi sawa ya kila aina ya atomu pande zote mbili za equation na kuonyesha chaji sawa jumla kila upande wa equation. Charge ni uwiano katika oxidation nusu-reactions kwa kuongeza elektroni kama bidhaa; katika kupunguza nusu-reactions, malipo ni uwiano kwa kuongeza elektroni kama reactants. Jumla ya idadi ya elektroni zilizopatikana kwa kupunguza lazima iwe sawa sawa na idadi ya elektroni zilizopotea na oksidi wakati wa kuchanganya nusu-athari mbili ili kutoa usawa wa jumla wa usawa. Kusawazisha mlinganyo wa mmenyuko wa kupunguza oksijeni katika ufumbuzi wa maji mara nyingi huhitaji oksijeni au hidrojeni iongezwe au kuondolewa kutoka kwa mmenyuko. Katika suluhisho tindikali hidrojeni huongezwa kwa kuongeza ioni hidrojeni (H ⁺) na kuondolewa kwa kuzalisha ioni ya hidrojeni; oksijeni huondolewa kwa kuongeza ioni ya hidrojeni na kuzalisha maji, na kuongezwa kwa kuongeza maji na kuzalisha ion hidrojeni Equation uwiano katika ufumbuzi wa msingi inaweza kupatikana kwa kusawazisha kwanza equation katika ufumbuzi tindikali, na kisha kuongeza ioni hidroksidi kwa kila upande wa equation uwiano katika idadi hiyo kwamba ions zote hidrojeni ni waongofu kuwa maji.

faharasa

mzunguko

njia zilizochukuliwa na sasa kama inapita kwa sababu ya tofauti ya uwezo wa umeme

sasa

mtiririko wa malipo ya umeme; kitengo cha malipo ya SI ni coulomb (C) na sasa hupimwa kwa amperes\(\mathrm{\left(1\: A=1\:\dfrac{C}{s}\right)}\)

uwezo wa umeme

nishati kwa malipo; katika mifumo ya electrochemical, inategemea jinsi mashtaka yanavyosambazwa ndani ya mfumo; kitengo cha SI cha uwezo wa umeme ni volt\(\mathrm{\left(1\: V=1\:\dfrac{J}{C}\right)}\)

njia ya nusu ya majibu

njia ambayo inazalisha uwiano wa jumla oxidation kupunguza majibu kwa kugawanyika majibu katika oxidation “nusu” na kupunguza “nusu,” kusawazisha mbili nusu athari, na kisha kuchanganya oxidation nusu mmenyuko na kupunguza nusu mmenyuko kwa njia ambayo idadi ya elektroni yanayotokana na oxidation ni hasa kufutwa na idadi ya elektroni zinazohitajika na kupunguza

oxidation nusu mmenyuko

“nusu” ya mmenyuko wa kupunguza oxidation unaohusisha oxidation; majibu ya nusu ambayo elektroni huonekana kama bidhaa; uwiano wakati kila aina ya atomi, pamoja na malipo, ni sawa

kupunguza nusu-mmenyuko

“nusu” ya mmenyuko wa kupunguza oxidation unaohusisha kupunguza; majibu ya nusu ambayo elektroni huonekana kama reactants; uwiano wakati kila aina ya atomi, pamoja na malipo, ni sawa