17.2: Mapitio ya Kemia ya Redox

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza sifa za kufafanua kemia ya redox
• Tambua kioksidishaji na kupunguzwa kwa mmenyuko wa redox
• Mizani ya usawa wa kemikali kwa athari za redox kwa kutumia njia ya nusu-mmenyuko

Kwa kuwa athari zinazohusisha uhamisho wa elektroni ni muhimu kwa mada ya electrokemia, mapitio mafupi ya kemia ya redoksi hutolewa hapa ambayo hufupisha na kupanua maudhui ya sura ya awali ya maandishi (tazama sura juu ya stoichiometry ya mmenyuko). Wasomaji wanaotaka mapitio ya ziada ni inajulikana sura ya maandishi juu ya stoichiometry mmenyuko.

Oxidation Idadi

Kwa ufafanuzi, mmenyuko wa redox ni moja ambayo inahusu mabadiliko katika idadi ya oxidation (au hali ya oxidation) kwa moja au zaidi ya vipengele vinavyohusika. Idadi ya oksidi ya elementi katika kiwanja kimsingi ni tathmini ya jinsi mazingira ya elektroniki ya atomi zake ni tofauti ikilinganishwa na atomi za elementi safi. Kwa maelezo haya, idadi ya oxidation ya atomi katika kipengele ni sawa na sifuri. Kwa atomi katika kiwanja, namba ya oksidi ni sawa na chaji atomu ingekuwa nayo katika kiwanja kama kiwanja kingekuwa ioniki. Kutokana na sheria hizi, jumla ya namba za oxidation kwa atomi zote katika molekuli ni sawa na malipo kwenye molekuli. Ili kuonyesha utaratibu huu, mifano kutoka kwa madarasa mawili ya kiwanja, ionic na covalent, itazingatiwa.

Mchanganyiko rahisi wa ionic huwasilisha mifano rahisi ya kuonyesha utaratibu huu, kwa kuwa kwa ufafanuzi namba za oxidation za vipengele ni sawa na mashtaka ya ionic. Kloridi ya sodiamu, NaCl, inajumuisha Na ⁺ cations na Cl ^- anions, na hivyo namba za oxidation kwa sodiamu na klorini ni, +1 na -1, kwa mtiririko huo. Calcium fluoride, CaF ₂, inajumuisha Ca ²⁺ cations na F ^- anions, na hivyo idadi oxidation kwa kalsiamu na florini ni, +2 na -1, kwa mtiririko huo.

Covalent misombo zinahitaji matumizi changamoto zaidi ya formalism. Maji ni kiwanja cha covalent ambacho molekuli zinajumuisha atomi mbili za H zilizounganishwa tofauti na atomi ya kati ya O kupitia vifungo vya polar covalent O-H. Elektroni zilizoshirikiwa zinazojumuisha dhamana ya O-H zinavutiwa sana na atomi ya O ya electronegative zaidi, na hivyo inapata chaji hasi ya sehemu katika molekuli ya maji (ikilinganishwa na atomi ya O katika oksijeni ya msingi). Kwa hiyo, atomi H katika molekuli ya maji huonyesha mashtaka ya chanya ya sehemu ikilinganishwa na atomi za H katika hidrojeni ya msingi. Jumla ya mashtaka ya hasi na sehemu ya chanya kwa kila molekuli ya maji ni sifuri, na molekuli ya maji haipatikani.

Fikiria kwamba ubaguzi wa elektroni pamoja ndani ya vifungo O-H ya maji walikuwa 100% kamili-matokeo itakuwa uhamisho wa elektroni kutoka H hadi O, na maji itakuwa kiwanja ionic zikiwemo O ^{2 -} anions na H ⁺ cations. Na hivyo, idadi ya vioksidishaji vya oksijeni na hidrojeni katika maji ni -1 na +1, kwa mtiririko huo. Kutumia mantiki hiyo kwa tetrakloridi kaboni, cCl ₄, hutoa idadi ya oxidation ya +4 kwa kaboni na -1 kwa klorini. Katika ion nitrate,${\text{HAPANA}}_{{}_3}^{-}$, Nambari ya oxidation ya nitrojeni ni +5 na kwamba kwa oksijeni ni -1, inahitimisha sawa na malipo ya 1 kwenye molekuli:

$$(1\text{N}\text{atomi})\left(\frac{+5}{\text{N}\text{atomi}}\right)+(3\text{O}\text{atomi})\left(\frac{-2}{\text{O}\text{atomi}}\right)=\mathrm{+5}+-6=-1$$

Kusawazisha equations Redox

Equation isiyo na usawa chini inaelezea utengano wa kloridi ya sodiamu iliyoyeyuka:

$$\text{NaCl}(l)⟶\text{Na}(l)+{\text{Cl}}_2(g)unbalanced$$

Majibu haya yanatimiza kigezo cha uainishaji wa redox, kwa kuwa idadi ya oxidation ya Na imepungua kutoka +1 hadi 0 (inakabiliwa na kupunguzwa) na kwamba kwa Cl imeongezeka kutoka -1 hadi 0 (inakabiliwa na oxidation). Equation katika kesi hii ni rahisi uwiano na ukaguzi, wanaohitaji coefficients stoichiometric ya 2 kwa NaCl na Na:

$$\text{2NaCl}(l)⟶2\text{Na}(l)+{\text{Cl}}_2(g)balanced$$

Athari za Redox zinazofanyika katika ufumbuzi wa maji hukutana kwa kawaida katika electrochemistry, na wengi huhusisha maji au ions zake za tabia, H ⁺ (aq) na OH ^- (aq), kama reactants au bidhaa. Katika matukio haya, milinganyo inayowakilisha mmenyuko wa redox inaweza kuwa changamoto sana kusawazisha kwa ukaguzi, na matumizi ya mbinu ya utaratibu inayoitwa njia ya nusu-mmenyuko ni muhimu. Njia hii inahusisha hatua zifuatazo:

1. Andika equations skeletal kwa oxidation na kupunguza nusu athari.
2. Mizani kila nusu ya majibu kwa vipengele vyote isipokuwa H na O.
3. Mizani kila nusu ya majibu kwa O kwa kuongeza H ₂ O.
4. Mizani kila nusu ya majibu kwa H kwa kuongeza H ⁺.
5. Mizani kila nusu-mmenyuko kwa malipo kwa kuongeza elektroni.
6. Ikiwa ni lazima, kuzidisha athari moja au mbili za nusu ili idadi ya elektroni zinazotumiwa katika moja ni sawa na idadi zinazozalishwa kwa nyingine.
7. Ongeza athari mbili za nusu na kurahisisha.
8. Kama majibu unafanyika katika kati ya msingi, kuongeza OH ^{- ions equation} kupatikana katika hatua ya 7 kwa neutralize H ⁺ ions (kuongeza kwa idadi sawa kwa pande zote mbili za equation) na kurahisisha.

Mifano hapa chini zinaonyesha matumizi ya njia hii ili kusawazisha equations kwa athari za redox yenye maji.

Mfano 17.1

Kusawazisha equations kwa Reactions Redox katika ufumbuzi Acidic

Andika equation uwiano anayewakilisha mmenyuko kati ya shaba imara na asidi nitriki ili kuzalisha ioni za shaba yenye maji (II) na gesi ya nitrojeni monoksidi.

Suluhisho

Kufuatia hatua za njia ya nusu ya majibu:

1. Andika equations skeletal kwa oxidation na kupunguza nusu athari.
   $\text{oxidation:}\text{Cu}(s)⟶{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)$
   $\text{kupunguza:}{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶\text{HAPANA}(g)$
2. Mizani kila nusu ya majibu kwa vipengele vyote isipokuwa H na O.
   $\text{oxidation:}\text{Cu}(s)⟶{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)$
   $\text{kupunguza:}{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶\text{HAPANA}(g)$
3. Mizani kila nusu ya majibu kwa O kwa kuongeza H ₂ O.
   $\text{oxidation:}\text{Cu}(s)⟶{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)$
   $\text{kupunguza:}{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶\text{HAPANA}(g)+{\text{2H}}_2\text{O}(\mathit{l})$
4. Mizani kila nusu ya majibu kwa H kwa kuongeza H ⁺.
   $\text{oxidation:}\text{Cu}(s)⟶{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)$
   $\text{kupunguza:}{\text{3H}}^{\text{+}}(\mathit{aq})+{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶\text{HAPANA}(g)+{\text{2H}}_2\text{O}(l)$
5. Mizani kila nusu-mmenyuko kwa malipo kwa kuongeza elektroni.
   $\text{oxidation:}\text{Cu}(s)⟶{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)+2{\text{e}}^{\text{-}}$
   $\text{kupunguza:}3{\text{e}}^{\text{-}}+3{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶\text{HAPANA}(g)+{\text{2H}}_2\text{O}(l)$
6. Ikiwa ni lazima, kuzidisha athari moja au mbili za nusu ili idadi ya elektroni zinazotumiwa katika moja ni sawa na idadi zinazozalishwa kwa nyingine.
   $\text{oxidation (× 3):}3\text{Cu}(s)⟶3{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)+6\sout{2}{\text{e}}^{\text{-}}$
   $\text{kupunguza (×2):}6\sout{3}{\text{e}}^{\text{-}}+6\sout{3}{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+2{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶2\text{HAPANA}(g)+4\sout{2}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)$
7. Ongeza athari mbili za nusu na kurahisisha.
   $3\text{Cu}(s)+\sout{6}{\text{e}}^{\text{-}}+6{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+2{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶3{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)+\sout{6}{\text{e}}^{\text{-}}+2\text{HAPANA}(g)+4{\text{H}}_2\text{O}(l)$
   $3\text{Cu}(s)+6{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+2{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶3{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)+2\text{HAPANA}(g)+4{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)$
8. Kama majibu unafanyika katika kati ya msingi, kuongeza OH ^{- ions equation} kupatikana katika hatua ya 7 kwa neutralize H ⁺ ions (kuongeza kwa idadi sawa kwa pande zote mbili za equation) na kurahisisha.
   Hatua hii sio lazima tangu suluhisho imetajwa kuwa tindikali.

Equation uwiano kwa mmenyuko katika suluhisho tindikali ni basi

$$3\text{Cu}(s)+6{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+2{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶3{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)+2\text{HAPANA}(g)+4{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

Angalia Kujifunza Yako

Mmenyuko hapo juu husababisha wakati wa kutumia asidi ya nitriki yenye diluted. Ikiwa asidi ya nitriki iliyokolea hutumiwa, dioksidi ya nitrojeni huzalishwa badala ya monoxide ya nitrojeni. Andika equation uwiano kwa mmenyuko huu.

Jibu:

$\text{Cu}(s)+2{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+2{\text{HAPANA}}_3(aq)⟶{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(aq)+2{\text{HAPANA}}_2(g)+2{\text{H}}_2\text{O}(l)$

Mfano 17.2

Kusawazisha equations kwa Reactions Redox katika Ufumbuzi wa Msingi

Andika equation uwiano anayewakilisha mmenyuko kati ya ion permanganate yenye maji,${\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}$, na chromium imara (III) hidroksidi, Cr (OH) ₃, ili kuzalisha manganese imara (IV) oksidi, mNO ₂, na ion yenye maji ya chromate,${\text{CRO}}_4{}^2$Majibu hufanyika katika suluhisho la msingi.

Suluhisho

Kufuatia hatua za njia ya nusu ya majibu:

1. Andika equations skeletal kwa oxidation na kupunguza nusu athari.
   $\text{oxidation:}{\text{Cr (OH)}}_3(s)⟶{\text{CRO}}_4{}^2(aq)$
   $\text{kupunguza:}{\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{Hapana}}_2(s)$
2. Mizani kila nusu ya majibu kwa vipengele vyote isipokuwa H na O.
   $\text{oxidation:}{\text{Cr (OH)}}_3(s)⟶{\text{CRO}}_4{}^2(aq)$
   $\text{kupunguza:}{\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{Hapana}}_2(s)$
3. Mizani kila nusu ya majibu kwa O kwa kuongeza H ₂ O.
   $\text{oxidation:}{\text{H}}_2\text{O}(\mathit{l})+\text{Cr}(\text{OH}{)}_3(s)⟶{\text{CRO}}_4{}^2(aq)$
   $\text{kupunguza:}{\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{Hapana}}_2(s)+2{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(\mathit{l})$
4. Mizani kila nusu ya majibu kwa H kwa kuongeza H ⁺.
   $\text{oxidation:}{\text{H}}_2\text{O}(l)+\text{Cr}(\text{OH}{)}_3(s)⟶{\text{CRO}}_4{}^2(aq)+5{\text{H}}^{\text{+}}(\mathit{aq})$
   $\text{kupunguza:}4{\text{H}}^{\text{+}}(\mathit{aq})+{\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{Hapana}}_2(s)+2{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)$
5. Mizani kila nusu-mmenyuko kwa malipo kwa kuongeza elektroni.
   $\text{oxidation:}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)+\text{Cr}(\text{OH}{)}_3(s)⟶{\text{CRO}}_4{}^2(aq)+5{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+3{\text{e}}^{\text{-}}$
   $\text{kupunguza:}3{\text{e}}^{\text{-}}+4{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{Hapana}}_2(s)+2{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)$
6. Ikiwa ni lazima, kuzidisha athari moja au mbili za nusu ili idadi ya elektroni zinazotumiwa katika moja ni sawa na idadi zinazozalishwa kwa nyingine.
   Hatua hii sio lazima kwa kuwa idadi ya elektroni tayari iko katika usawa.
7. Ongeza athari mbili za nusu na kurahisisha.
   $\begin{array}{cc}\sout{{\text{H}}_2\text{O}(\mathit{l})}+{\text{Cr (OH)}}_3(s)+\sout{3{\text{e}}^{\text{-}}}+\sout{4{\text{H}}^{\text{+}}(\mathit{aq})}+{\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}(aq)⟶\hfill & {\text{CRO}}_4{}^2(aq)+\sout{5}{\text{H}}^{\text{+}}(aq)\hfill \\ & +\sout{3{\text{e}}^{\text{-}}}+{\text{Hapana}}_2(s)+2{\text{H}}_2\text{O}(l)\hfill \end{array}$
   $\text{Cr}{(\text{OH})}_3(s)+{\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{CRO}}_4{}^2(aq)+{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{\text{Hapana}}_2(s)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$
8. Kama majibu unafanyika katika kati ya msingi, kuongeza OH ^{- ions equation} kupatikana katika hatua ya 7 kwa neutralize H ⁺ ions (kuongeza kwa idadi sawa kwa pande zote mbili za equation) na kurahisisha.
   ${\text{OH}}^{\text{-}}(\mathit{aq})+{\text{Cr (OH)}}_3(s)+{\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{CRO}}_4{}^2(aq)+{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(\mathit{aq})+{\text{Hapana}}_2(s)+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)$
   ${\text{OH}}^{\text{-}}(aq)+{\text{Cr (OH)}}_3(s)+{\text{Hapana}}_4{}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{CRO}}_4{}^{2-}(aq)+{\text{Hapana}}_2(s)+2{\text{H}}_2\text{O}(l)$

Angalia Kujifunza Yako

Ioni ya permanganate yenye maji inaweza pia kupunguzwa kwa kutumia ion yenye maji ya bromidi, Br ^-, bidhaa za mmenyuko huu kuwa imara manganese (IV) oksidi na ion yenye maji ya bromate, bro ₃ ^-. Andika equation uwiano kwa mmenyuko huu kutokea katika kati ya msingi.

Jibu:

${\text{H}}_2\text{O}(l)+{\text{2mNo}}_4{}^{\text{-}}(aq)+{\text{Br}}^{\text{-}}(aq)⟶2{\text{Hapana}}_2(s)+{\text{Bro}}_3{}^{\text{-}}(aq)+2{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)$