Reakcje utleniania-redukcji lub „redoks” stanowią jedną z głównych klasyfikacji reakcji w chemii. Reakcje z konieczności obejmują przenoszenie elektronów z jednego gatunku na drugi. Chemicy nazywają utratę elektronów utlenianiem, a ich zyskanie redukcją. Równoważenie równania chemicznego odnosi się do procesu dostosowywania liczb każdego reagenta i produktu tak, aby związki po lewej i prawej stronie strzałki reakcji — odpowiednio reagenty i produkty — zawierają tę samą liczbę każdego rodzaju atom. Proces ten jest konsekwencją pierwszej zasady termodynamiki, która mówi, że materii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć. Reakcje redoks posuwają ten proces o krok dalej, równoważąc również liczbę elektronów po każdej stronie strzałkę, ponieważ, podobnie jak atomy, elektrony posiadają masę i dlatego rządzą nimi pierwsze prawo termodynamika.
Napisz niezrównoważone równanie chemiczne na kartce papieru i zidentyfikuj utleniane i redukowane związki, badając ładunki na atomach. Rozważmy na przykład niezrównoważoną reakcję jonu nadmanganianowego, MnO4(-), gdzie (-) reprezentuje ładunek jonu ujemny, a jon szczawianowy, C2O4(2-) w obecności kwasu, H(+): MnO4(-) + C2O4(2-) + H(+) → Mn (2+) + CO2 + H2O. W związkach tlen prawie zawsze przyjmuje ładunek ujemny dwójki. Zatem MnO4(-), jeśli każdy tlen ma ujemny ładunek dwa, a całkowity ładunek jest ujemny, to mangan musi wykazywać ładunek dodatni siedem. Węgiel w C2O4(2-) podobnie wykazuje ładunek dodatniej trójki. Po stronie produktu mangan ma ładunek dodatni dwa, a węgiel dodatni cztery. Tak więc w tej reakcji mangan jest redukowany, ponieważ jego ładunek maleje, a węgiel ulega utlenieniu, ponieważ jego ładunek wzrasta.
Napisz oddzielne reakcje — zwane reakcjami połówkowymi — dla procesów utleniania i redukcji oraz uwzględnij elektrony. Mn(+7) w MnO4(-) staje się Mn(+2) przez przyjęcie pięciu dodatkowych elektronów (7 - 2 = 5). Jakikolwiek tlen w MnO4(-) musi jednak stać się wodą, H2O, jako produkt uboczny, a woda nie może tworzyć się z atomami wodoru, H(+). Dlatego po lewej stronie równania należy dodać protony, H(+). Zrównoważona reakcja połówkowa staje się teraz MnO4(-) + 8 H(+) + 5 e → Mn (2+) + 4 H2O, gdzie e oznacza elektron. Połowiczna reakcja utleniania podobnie staje się C2O4(2-) - 2e → 2 CO2.
Zrównoważyć całą reakcję, upewniając się, że liczba elektronów w połówkowej reakcji utleniania i redukcji jest równa. Kontynuując poprzedni przykład, utlenianie jonu szczawianu, C2O4(2-), obejmuje tylko dwa elektrony, podczas gdy redukcja manganu obejmuje pięć. W konsekwencji, cała reakcja połówkowa manganu musi być pomnożona przez dwa, a cała reakcja szczawianu musi być pomnożona przez pięć. Spowoduje to, że liczba elektronów w każdej połówce reakcji będzie wynosić 10. Dwie połówkowe reakcje stają się teraz 2 MnO4(-) + 16 H(+) + 10 e → 2 Mn (2+) + 8 H2O i 5 C2O4(2-) - 10 e → 10 CO2.
Uzyskaj zrównoważone równanie ogólne, sumując dwie zrównoważone połówkowe reakcje. Zauważ, że reakcja manganu obejmuje zysk 10 elektronów, podczas gdy reakcja szczawianu obejmuje utratę 10 elektronów. Dlatego elektrony znoszą się. W praktyce oznacza to, że pięć jonów szczawianowych przenosi łącznie 10 elektronów na dwa jony nadmanganianowe. Po zsumowaniu, ogólne zrównoważone równanie staje się 2 MnO4(-) + 16 H(+) + 5 C2O4(2-) → 2 Mn (2+) + 8 H2O + 10 CO2, co reprezentuje zrównoważone równanie redoks.