Bilansowanie równań redoks — metoda bilansu elektronowego

Zwykłe równania chemiczne uzgadnia się „na oko” — dobiera współczynniki tak, żeby po obu stronach było tyle samo atomów. Przy reakcjach redoks ta metoda szybko się kończy. Spróbujcie uzgodnić na oko:

Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

Można przy tym spędzić kwadrans i nic nie wyjść. A metodą bilansu elektronowego to zadanie zajmuje cztery minuty i zawsze kończy się tym samym, poprawnym wynikiem.

Pomysł jest prosty: skoro w reakcji redoks elektrony przechodzą z jednego atomu na drugi, to ile ich ktoś oddał, tyle ktoś inny musiał przyjąć. Współczynniki dobieramy tak, żeby ta liczba się zgadzała.

Metoda bilansu elektronowego — sześć kroków

Krok 6 jest tym, który najczęściej się pomija. Bilans elektronowy daje tylko współczynniki dla pierwiastków zmieniających stopień utlenienia; całą resztę trzeba jeszcze uzgodnić zwyczajnie.

Przykład 1 — najprostszy: żelazo i chlor

Fe + Cl₂ → FeCl₃

Krok 1 i 2 — stopnie utlenienia:

Krok 3 — równania połówkowe. Uwaga: chlor występuje jako Cl₂, czyli dwa atomy naraz, więc przyjmuje 2 elektrony.

Fe⁰ → Fe³⁺ + 3e⁻ | oddaje 3 elektrony

Cl₂⁰ + 2e⁻ → 2Cl⁻ | przyjmuje 2 elektrony

Krok 4 — zrównujemy elektrony. Najmniejsza wspólna wielokrotność 3 i 2 to 6.

Fe⁰ → Fe³⁺ + 3e⁻ · 2 → 2Fe⁰ → 2Fe³⁺ + 6e⁻

Cl₂⁰ + 2e⁻ → 2Cl⁻ · 3 → 3Cl₂⁰ + 6e⁻ → 6Cl⁻

Krok 5 i 6 — przenosimy współczynniki:

2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃

Sprawdzenie: żelazo 2 = 2, chlor 6 = 2 · 3 = 6. Zgadza się.

Przykład 2 — klasyk: miedź i kwas azotowy(V)

Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

To jest reakcja, którą widać gołym okiem: miedziana moneta w kwasie azotowym rozpuszcza się, roztwór robi się niebieski, a nad nim pojawia się bezbarwny gaz, który na powietrzu brunatnieje.

Krok 1 — stopnie utlenienia:

• Cu po lewej: 0, w Cu(NO₃)₂: +II
• N w HNO₃: +V, w NO: +II
• Tlen wszędzie −II, wodór +I — bez zmian

Krok 2 — co się zmieniło: tylko miedź i azot.

Krok 3 — równania połówkowe:

Cu⁰ → Cu²⁺ + 2e⁻ | oddaje 2 elektrony (utlenianie)

N⁺⁵ + 3e⁻ → N⁺² | przyjmuje 3 elektrony (redukcja)

Krok 4 — zrównujemy. NWW liczb 2 i 3 to 6.

Cu⁰ → Cu²⁺ + 2e⁻ · 3 → 3Cu oddaje 6 elektronów

N⁺⁵ + 3e⁻ → N⁺² · 2 → 2 azoty przyjmują 6 elektronów

Krok 5 — wstawiamy:

3Cu + HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + H₂O

Krok 6 — reszta. Ile azotu potrzeba po lewej? Po prawej jest: 3 · 2 = 6 azotów w azotanie plus 2 w NO, razem 8.

3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + H₂O

Wodór: po lewej 8, więc po prawej muszą być 4 cząsteczki wody.

3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Sprawdzenie tlenu: po lewej 8 · 3 = 24. Po prawej: 3 · 6 = 18 w azotanie, 2 w NO, 4 w wodzie → 18 + 2 + 4 = 24. Zgadza się.

Zwróćcie uwagę na coś ważnego: tylko 2 z 8 cząsteczek kwasu zostały zredukowane do NO. Pozostałe 6 posłużyło do zbudowania azotanu miedzi — nie zmieniły stopnia utlenienia. Dlatego bilans elektronowy daje liczbę 2, a nie 8, i dlatego krok 6 jest niezbędny.

Przykład 3 — trudniejszy: nadmanganian i kwas solny

KMnO₄ + HCl → MnCl₂ + Cl₂ + KCl + H₂O

Krok 1 i 2:

• Mn w KMnO₄: +VII, w MnCl₂: +II → spadek o 5
• Cl w HCl: −I, w Cl₂: 0 → wzrost o 1

Krok 3:

Mn⁺⁷ + 5e⁻ → Mn⁺² | przyjmuje 5 elektronów

2Cl⁻ → Cl₂⁰ + 2e⁻ | oddaje 2 elektrony

Krok 4. NWW liczb 5 i 2 to 10.

Mn⁺⁷ + 5e⁻ → Mn⁺² · 2

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻ · 5 → powstaje 5 cząsteczek Cl₂

Krok 5:

2KMnO₄ + HCl → 2MnCl₂ + 5Cl₂ + KCl + H₂O

Krok 6. Potas: 2 po lewej → 2KCl po prawej. Teraz chlor po prawej: 2 · 2 = 4 w MnCl₂, 5 · 2 = 10 w Cl₂, 2 w KCl → razem 16.

2KMnO₄ + 16HCl → 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 2KCl + H₂O

Wodór: 16 po lewej → 8 cząsteczek wody.

2KMnO₄ + 16HCl → 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 2KCl + 8H₂O

Sprawdzenie tlenu: po lewej 2 · 4 = 8, po prawej 8 w wodzie. Zgadza się.

Równania jonowe — krócej i czytelniej

W roztworach wodnych sole i mocne kwasy są rozbite na jony, więc chemik często zapisuje tylko to, co naprawdę się zmienia. Wtedy w bilansie dochodzi drugi warunek: musi zgadzać się nie tylko liczba atomów, ale też suma ładunków po obu stronach.

Przykład 4 — nadmanganian i jony żelaza(II)

MnO₄⁻ + Fe²⁺ + H⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺ + H₂O

Równania połówkowe zapisujemy tu od razu z jonami i z wodą:

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O | przyjmuje 5 elektronów

Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻ | oddaje 1 elektron

Drugie równanie mnożymy przez 5 i dodajemy stronami:

MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O

Sprawdzenie ładunków: po lewej (−1) + 5·(+2) + 8·(+1) = −1 + 10 + 8 = +17. Po prawej (+2) + 5·(+3) = 2 + 15 = +17. Zgadza się.

Przykład 5 — dichromian i jony żelaza(II)

Cr₂O₇²⁻ + 6Fe²⁺ + 14H⁺ → 2Cr³⁺ + 6Fe³⁺ + 7H₂O

Tu chrom przechodzi z +VI na +III, czyli każdy atom przyjmuje 3 elektrony — a atomy są dwa, więc razem 6. Dlatego po stronie żelaza potrzeba sześciu jonów Fe²⁺.

Sprawdzenie ładunków: lewa (−2) + 6·(+2) + 14·(+1) = −2 + 12 + 14 = +24; prawa 2·(+3) + 6·(+3) = 6 + 18 = +24.

Praktyczny trik do równań jonowych w środowisku kwasowym: niedobór tlenu uzupełnia się wodą, a niedobór wodoru jonami H⁺. Najpierw wyrównuje się pierwiastek zmieniający stopień utlenienia, potem tlen wodą, potem wodór jonami H⁺, a na końcu sprawdza się ładunek.

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie 1. Uzgodnij: Al + HCl → AlCl₃ + H₂

Rozwiązanie: Al: 0 → +III (oddaje 3e⁻), H: +I → 0 (2H⁺ przyjmuje 2e⁻). NWW(3, 2) = 6, czyli 2 glin i 3 cząsteczki wodoru: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

Zadanie 2. Uzgodnij: KClO₃ → KCl + O₂

Rozwiązanie: to reakcja, w której ta sama substancja jest i utleniaczem, i reduktorem. Cl: +V → −I (przyjmuje 6e⁻), O: −II → 0 (każdy oddaje 2e⁻, a w KClO₃ są trzy tleny → razem 6e⁻). Bilans wychodzi 1 : 1, ale tlen musi tworzyć cząsteczki dwuatomowe, więc wszystko mnożymy przez 2: 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

Zadanie 3. Uzgodnij: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Rozwiązanie: Fe: +III → 0 (przyjmuje 3e⁻, a atomy są dwa → 6e⁻), C: +II → +IV (oddaje 2e⁻). NWW = 6, czyli trzy cząsteczki CO: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

To jest, nawiasem mówiąc, reakcja zachodząca w wielkim piecu — tak z rudy powstaje żelazo.

Zadanie 4. Uzgodnij i wskaż utleniacz: NH₃ + O₂ → NO + H₂O

Rozwiązanie: N: −III → +II (oddaje 5e⁻), O: 0 → −II (cząsteczka O₂ przyjmuje 4e⁻). NWW(5, 4) = 20, czyli 4 cząsteczki amoniaku i 5 cząsteczek tlenu: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O Utleniaczem jest tlen, reduktorem amoniak.

Najczęstsze błędy

1. Zapominanie, że O₂, Cl₂, H₂ są dwuatomowe. Cząsteczka Cl₂ przyjmuje 2 elektrony, nie jeden.
2. Liczenie elektronów dla jednego atomu, gdy we wzorze jest ich kilka. W Cr₂O₇²⁻ chromy są dwa, więc elektronów jest 2 · 3 = 6.
3. Pominięcie kroku 6. Bilans elektronowy nie uzgadnia wody ani części kwasu, która nie zmieniła stopnia utlenienia.
4. Niesprawdzenie tlenu na końcu. Tlen uzgadnia się ostatni i zawsze służy jako kontrola całości.
5. W równaniach jonowych — pominięcie bilansu ładunku. Sama liczba atomów nie wystarczy.

Do zapamiętania

• Ile elektronów ktoś oddał, tyle ktoś inny przyjął — na tym opiera się cała metoda.
• Kolejność: stopnie utlenienia → co się zmieniło → równania połówkowe → zrównać elektrony przez NWW → przenieść współczynniki → uzgodnić resztę.
• Tlen uzgadnia się na końcu i służy jako sprawdzenie.
• W równaniach jonowych zgadzać się musi i masa, i ładunek.
• W środowisku kwasowym brakujący tlen uzupełnia się wodą, a brakujący wodór jonami H⁺.