Bilansowanie reakcji redoks

Reakcje redoks to takie procesy chemiczne, w których jedne substancje ulegają utlenianiu, a inne – redukcji. Oznacza to, że zmienia się ich stopień utlenienia. Dla substancji utlenianej – rośnie, a dla redukowanej – maleje. Przykładem może być reakcja nadmanganianu potasu z siarczanem (IV) sodu, opisana poniżej.

W reakcjach utleniania – redukcji (redoks), oprócz uzgodnienia liczby biorących w nich udział atomów, uzgodniona być musi również liczba elektronów przenoszonych w reakcji. Dlatego, aby uzgodnić równanie reakcji redoks, należy najpierw podzielić je na równania składowe, odpowiadające procesom utleniania i redukcji:

KMnO₄ + Na₂SO₃ + H_­2SO₄→ Na₂SO₄ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O (1)

W ten sposób, równanie (1), w którym manganian(VII) potasu ulega redukcji do siarczanu manganu(II), a siarczan (IV) sodu jest utleniany do siarczanu(VI) sodu, możemy podzielić na dwa odpowiednie równania, w których interesujemy się tylko zmianą stopnia utlenienia manganu i siarki

Mn(VII+) + 5e^-→ Mn(II+) (2)

S(IV+) → S(VI+) +2e^- (3)

Taki zapis oznacza, że atom Mn, aby przejść ze stopnia utlenienia +VII na stopień utlenienia +II, potrzebuje przyłączyć 5 elektronów (równanie 2), natomiast siarka, która w jonie siarczanowym (IV) jest na stopniu utlenienia +IV, oddaje 2 elektrony, kiedy przechodzi na stopień utlenienia +VI w jonie siarczanowym(VI) – równanie (3). Liczba oddawanych i przyjmowanych elektronów musi się zgadzać i być całkowita, więc równanie (2) mnożymy przez liczbę elektronów w równaniu (3) i odwrotnie, równanie(3) mnożymy przez liczbę elektronów w równaniu (2). Otrzymujemy:

2Mn(VII+) + 10e^- → 2Mn²⁺ (4)

5S(IV+)→5S(VI+)+10e^- (5)

Po dodaniu równań stronami, otrzymujemy:

2Mn(VII+) + 5S(IV+) → 2Mn(II+) + 5S(VI+) (6)

Współczynniki stechiometryczne z równania (6) wstawiamy do równania (1) w odpowiednie miejsca, otrzymując równanie (7), uzgodnione pod względem utleniania-redukcji. Teraz należy uzgodnić pozostałe współczynniki – przy H₂SO₄, K₂SO₄ i H₂O. W równaniu (7) nieznane na razie współczynniki przy tych związkach zastąpione są niewiadomymi x, y, z.

2KMnO₄ + 5Na₂SO₃ + xH_­2SO₄→ 5Na₂SO₄ + yK₂SO₄ + 2MnSO₄ + zH₂O (7)

Aby obliczyć wartości niewiadomych, należy najpierw zsumować ilości atomów poszczególnych typów po obydwu stronach równania (7)

Po lewej:

K: 2*1 = 2 atomy (zależy od ilości Mn, uzgodnionej wcześniej)

Mn: 2*1 = 2 atomy (uzgodnione z procesu redoks)

O: 2*4 + 5*3 + x*4 = 4x + 23 atomów

Na: 5*2 = 10 atomów (ilość wynika z uzgodnionej wcześniej ilości Na­₂SO₃)

S = 5*1 + x = x + 5 atomów (ilość S(IV+), czyli Na₂SO₃, równą 5 mamy uzgodnioną z procesu redoks, musimy dodatkowo uzgodnić ilość S z H₂SO₄)

H = 2*x = 2x atomów

Po prawej:

K: 2*1 = 2 atomy (zależy od ilości Mn, uzgodnionej wcześniej)

Mn: 2*1 = 2 atomy (uzgodnione z procesu redoks)

O: 5*4+ y*4 + 2*4 + z = 4y + z + 28 atomów

Na: 5*2 = 10 atomów (ilość wynika z uzgodnionej wcześniej ilości Na­₂SO₃)

S = 5*1 + y + 2*1 = y + 7 atomów (ilość S(IV+), czyli Na₂SO₃, równą 5 mamy uzgodnioną z procesu redoks, musimy dodatkowo uzgodnić ilość S z H₂SO₄)

H = 2*z = 2z atomów

Patrząc na pierwiastki, dla których mamy niewiadome (H, S, O), możemy po porównaniu prawej i lewej strony, zapisać równania:

H: 2x = 2z (8)

O: 4x + 23 = 4y + z + 28 (9)

S: x + 5 = y + 7 (10)

Po rozwiązaniu układu równań (8),(9),(10), otrzymujemy wartości x=z=3 i y=1, które wstawiamy do równania reakcji i otrzymujemy w pełni uzgodnione równanie (11).

2KMnO₄ + 5Na₂SO₃ + 3H_­2SO₄→ 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 3H₂O (11)

Podobną procedurę można zastosować dla innego przykładu – utleniania jonów chlorkowych do wolnego chloru za pomocą K₂Cr₂O₇, reakcję opisuje równanie (12)

KCl + K₂Cr­₂O₇ + H₂SO₄ → K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + Cl₂ + H₂O (12)

Cząstkowe równania utleniania Cl^- I redukcji Cr:

2Cl^- (-I)→ Cl₂(0) + 2e^- (13)

2Cr(VI+) → 2Cr(III+) + 6e^- (14)

Po przeliczeniu, otrzymujemy:

6KCl + K₂Cr­₂O₇ + 7H₂SO₄→ 4K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + 3Cl₂ + 7H₂O (15)