Окислительно-восстановительные или «окислительно-восстановительные» реакции представляют собой одну из основных классификаций реакций в химии. Реакции обязательно включают передачу электронов от одного вида к другому. Химики называют потерю электронов окислением, а получение электронов - восстановлением. Под балансировкой химического уравнения понимается процесс корректировки количества каждого реагента и продукта таким образом, чтобы соединения слева и справа от стрелки реакции - реагенты и продукты соответственно - содержат одинаковое количество каждого типа атом. Этот процесс представляет собой следствие первого закона термодинамики, который гласит, что материю нельзя ни создать, ни разрушить. Окислительно-восстановительные реакции продвигают этот процесс на один шаг вперед, также уравновешивая количество электронов на каждой стороне стрелкой, потому что, как и атомы, электроны обладают массой и, следовательно, подчиняются первому закону термодинамика.
Напишите несбалансированное химическое уравнение на листе бумаги и определите окисляемые и восстанавливаемые частицы, исследуя заряды на атомах. Например, рассмотрим несбалансированную реакцию перманганат-иона MnO4 (-), где (-) представляет собой заряд иона отрицательный и ион оксалата C2O4 (2-) в присутствии кислоты H (+): MnO4 (-) + C2O4 (2-) + H (+) → Mn (2+) + CO2 + H2O. Кислород почти всегда принимает в соединениях заряд отрицательной двойки. Таким образом, MnO4 (-), если каждый кислород поддерживает два отрицательных заряда, а общий заряд отрицательный, то марганец должен иметь заряд положительных семи. Углерод в C2O4 (2-) также имеет заряд положительной тройки. Что касается продукта, марганец обладает положительным зарядом два, а углерод - четырьмя. Таким образом, в этой реакции марганец восстанавливается, потому что его заряд уменьшается, а углерод окисляется, потому что его заряд увеличивается.
Напишите отдельные реакции, называемые полуреакциями, для процессов окисления и восстановления, включая электроны. Mn (+7) в MnO4 (-) превращается в Mn (+2), принимая пять дополнительных электронов (7-2 = 5). Однако любой кислород в MnO4 (-) должен стать побочным продуктом воды, H2O, и вода не может образовываться с атомами водорода H (+). Следовательно, протоны, H (+) должны быть добавлены в левую часть уравнения. Сбалансированная полуреакция теперь принимает вид MnO4 (-) + 8 H (+) + 5 e → Mn (2+) + 4 H2O, где e представляет собой электрон. Половина реакции окисления превращается в C2O4 (2-) - 2e → 2 CO2.
Сбалансируйте общую реакцию, убедившись, что количество электронов в полуреакциях окисления и восстановления одинаково. Продолжая предыдущий пример, окисление оксалат-иона C2O4 (2-) включает только два электрона, тогда как восстановление марганца включает пять. Следовательно, всю полуреакцию марганца необходимо умножить на два, а всю оксалатную реакцию - на пять. Это доведет количество электронов в каждой половине реакции до 10. Две полуреакции теперь превращаются в 2 MnO4 (-) + 16 H (+) + 10 e → 2 Mn (2+) + 8 H2O и 5 C2O4 (2-) - 10 e → 10 CO2.
Получите сбалансированное общее уравнение, суммируя две сбалансированные половинные реакции. Обратите внимание, что реакция марганца включает в себя усиление 10 электронов, тогда как реакция оксалата включает потерю 10 электронов. Таким образом, электроны сокращаются. На практике это означает, что пять оксалат-ионов передают в общей сложности 10 электронов двум перманганат-ионам. В сумме общее сбалансированное уравнение принимает вид 2 MnO4 (-) + 16 H (+) + 5 C2O4 (2-) → 2 Mn (2+) + 8 H2O + 10 CO2, что представляет собой сбалансированное окислительно-восстановительное уравнение.