Как сбалансировать окислительно-восстановительные реакции, примеры уравнений

Основные концепции
Окислительно-восстановительные реакции - невероятно интересные и важные реакции в химии, особенно в электрохимии! Однако от них мало пользы, если они не сбалансированы должным образом.

Словарь химических терминов
Окисление: тип химической реакции, при которой теряется один или несколько электронов.
Степень окисления / число: число, присвоенное атому, описывающее его степень окисления, означающее, сколько электронов он приобрел или потерял.
Восстановление: тип химической реакции, при которой получается один или несколько электронов.

Обзор: Что такое окислительно-восстановительная реакция?
Окислительно-восстановительная реакция - это реакция, в которой происходят как восстановление, так и окисление, что означает, что электроны, потерянные при окислении одного вещества, затем приобретаются при восстановлении другого вещества. Таким образом, электроны обмениваются между видами, и в уравнении в целом нет суммарного заряда.

Что означает сбалансированность окислительно-восстановительной реакции?
Окислительно-восстановительная реакция сбалансирована, если все атомы в реакции сбалансированы, что означает, что на стороне реагентов такое же количество атомов X и Y, как и на стороне продуктов. Это также означает, что электроны и заряды сбалансированы: количество электронов, потерянных при окислении, равно количеству электронов, полученных при восстановлении. Балансировка окислительно-восстановительных реакций позволяет кратко представить итоговое уравнение реакции.

Как сбалансировать окислительно-восстановительные реакции: шаг за шагом
Напишите полуреакцию восстановления
Напишите реакцию окисления наполовину
Сбалансируйте количество атомов в полуреакциях
Определите количество электронов, переданных в каждой полуреакции
Сбалансируйте количество электронов между половинными реакциями, чтобы число, потерянное в одной, было равно числу, полученному в другой.
Объедините две половинные реакции в итоговое уравнение. Обязательно всегда перепроверяйте в конце, сбалансированы ли атомы с обеих сторон!

Примеры того, как сбалансировать окислительно-восстановительные реакции в уравнении

Пример #1
Давайте рассмотрим пример уравнение, шаг за шагом, чтобы понять это. Давайте рассмотрим простой пример обычной электрохимической ячейки, состоящей из меди и цинка.

Шаг 1.
Напишите полуреакцию восстановления. В этой реакции медь восстанавливается, что приводит к следующей полуреакции:

Cu2+ (aq) > Cu0 (s)

Шаг 2.
Напишите полуреакцию окисления. В этой реакции цинк окисляется, что приводит к следующей полуреакции:

Zn0 (s) > Zn2+ (aq)

Шаг 3.
Сбалансируйте атомы в полуреакциях. Все сбалансировано! Существует один атом меди как в продуктах, так и в реагентах полуреакции восстановления, и только один атом цинка как в продуктах, так и в реагентах полуреакции окисления.

Шаг 4.
Определите количество электронов в каждой полуреакции. Поскольку число окисления в полуреакции восстановления уменьшается на два, это указывает на перенос двух электронов: Cu 2 + (aq) + 2e– > Cu 0 (s).
Таким же образом, поскольку число окисления в полуреакции окисления увеличивается на два, это указывает на перенос двух электронов: Zn0 (s) > Zn2+ (aq) + 2e–

Шаг 5.
Сбалансируйте количество электронов. В полуреакции окисления теряется два электрона, а в полуреакции восстановления - два электрона, так что все сбалансировано!

Шаг 6.
Объедините полуреакции. Таким образом, полная реакция выглядит так: Cu 2 + (aq) + Zn 0 (s) + 2e– > Zn 2 + (aq) + Cu 0 (s) + 2e-, или просто Cu 2 + (aq) + Zn 0 (s) > Zn 2 + (aq) +Cu 0 (s), поскольку электроны нейтрализуются.

Пример №2
Давайте рассмотрим менее простой пример уранения, например, реакцию, связанную с нашим экспериментом по получению медного порошка из алюминиевой фольги. В этом эксперименте мы начинаем с алюминиевой фольги, Al и сульфата меди, CuSO4. Реакция однократного вытеснения приводит к образованию сульфата меди, меди и алюминия, Al2(SO4)3.

Шаг 0:
Определите степени окисления. Это важный шаг, который необходимо предпринять, прежде чем даже начинать балансировать окислительно-восстановительную реакцию, поскольку это поможет нам определить, какие виды подвергаются восстановлению, а какие окислению.

Реагенты: Al0, Cu 2+, SO4 2-
Продукты: Al3+, Cu 0, SO4 2-

Поскольку степень окисления иона SO4 не изменяется на протяжении всей реакции и он выступает как реагент, так и продукт, это ион-наблюдатель. Следовательно, мы собираемся оставить это до конца, поскольку это может сделать полуреакции более запутанными.

Шаг 1.
Напишите полуреакцию восстановления. Восстановление, как мы знаем, - это получение электронов, что означает уменьшение числа окисления. Это указывает на то, что медь восстанавливается: Cu 2 + > Cu 0

Шаг 2.
Напишите полуреакцию окисления. Окисление, как мы знаем, - это потеря электронов, что означает увеличение числа окисления. Это указывает на то, что алюминий окисляется: Al0 > Al3 +

Шаг 3.
Сбалансируйте атомы в полуреакциях:

Cu 2 + > Cu 0 остается как есть, поскольку как в реагентах, так и в продуктах содержится один моль меди.

Однако нам необходимо учитывать тот факт, что продукт на самом деле представляет собой Al2 (SO4) 3, что означает, что на каждый отдельный алюминий в реагентах в продуктах содержится два атома алюминия. Следовательно, мы устанавливаем коэффициент 2 на стороне реагента: 2al0 > Al3 +. На этом этапе может быть полезно вернуть ион-наблюдатель для уточнения. В этом случае мы видим, что 2Al > Al2(SO 4) 3.

Шаг 4.
Определите количество электронов в каждой полуреакции.

Cu 2 + > Cu 0 получает 2 электрона, так что получается: Cu 2 + + 2e- > Cu 0

2al0 > Al3 + каждый атом алюминия теряет три электрона, умноженных на коэффициент 2: 2al0 > Al3+ + 6e-, или 2Al > Al2(SO 4) 3 + 6e–.

Шаг 5.
Сбалансируйте количество электронов. Полуреакция восстановления получает только 2 электрона, в то время как полуреакция окисления теряет всего 6 электронов. Таким образом, мы умножаем полуреакцию восстановления на коэффициент 3, чтобы получить 6 электронов в обеих полуреакциях, выравниваем: 3cu2 + + 6e– > 3Cu0. Опять же, возвращая ион-наблюдатель для ясности, мы видим, что 3cuso4 + 6e- > 3Cu.

Шаг 6.
Объедините полуреакции. Таким образом, полная реакция становится: 2Al + 3cuso4 + 6e– > Al2(SO4) 3 + 3Cu + 6e-, или просто 2Al + 3cuso4 > Al2 (SO4) 3 + 3Cu.

Сбалансируйте окислительно-восстановительные реакции: кислотные или основные условия
При балансировке окислительно-восстановительной реакции в кислых или щелочных условиях выполните те же действия, что описаны выше, с одним существенным предостережением.

В кислых условиях атомы часто не будут сбалансированы так, как они есть, поэтому вам следует добавить H2o, чтобы сбалансировать избыток кислорода, а затем H +, чтобы сбалансировать избыток водорода. Это связано с тем, что как H2o, так и H + находятся в кислых условиях, поэтому они будут присутствовать в реакции, поэтому вы можете добавлять столько, сколько необходимо. В этой связи вы также должны следить за своими расходами на стороне реагентов и продуктов, поскольку чистый заряд должен быть сохранен (это особенно важно при балансировании полуреакций). При добавлении H+ создает избыток заряда, вы можете компенсировать его, добавив электроны, где это уместно. В конце, однако, электроны все равно должны уравновеситься с обеих сторон полного окислительно-восстановительного уравнения, как описано на шаге 5 выше.

Балансировка окислительно-восстановительной реакции в основных условиях очень похожа на метод, описанный выше, но с использованием OH-, а не H +.