1. Reakcje redoks to te, które trudno zbilansować

Potocznie zwane ,,redoksy” to zmora większości licealistów. Prawda jest taka, że poznaliście je już w gimnazjum/podstawówce, ponieważ nawet najprostsza reakcja syntezy wody z pierwiastków jest reakcją utlenienia-redukcji.

Taką reakcję bardzo łatwo jest zbilansować – wystarczy wstawić dwójkę (zwłaszcza jeśli nauczycielkę wzdryga przed połówkami w bilansie) przed wodą oraz wodorem :

Mamy zatem pierwszą pozytywną informację – nie wszystkie redoksy są takie fatalne. No dobrze, ale teraz spróbujmy zbilansować reakcję roztwarzania miedzi w rozcieńczonym kwasie azotowym (V) :

Spróbuj samodzielnie zbilansować taką reakcję – okazuje się to nie lada wyzwaniem (patrz tutaj^[1]).

Zatem reakcje redoks mogą Tobie się kojarzyć właśnie jako te, które trudno zbilansować. Na szczęście jest na to specjalna metoda (a nawet kilka, chociaż ze szkoły poznasz tylko jedną), aby się z tym rozprawić.

Metoda ta będzie bazowała na tak zwanych stopniach utleniania. Przydadzą nam się one do bilansu, ale także przede wszystkim do rozpoznawania czy mamy do czynienia z reakcją redoks! Nie wszystkie reakcje chemiczne będą redoksami.

Reakcje chemiczne można podzielić na :

reakcje redoks	te, które nie są reakcjami redoks
• zwykle trudno je zbilansować	• zwykle łatwo je zbilansować

2. To co to są w takim razie te redoksy?

Reakcje utlenienia i redukcji (redoks) to takie, w których następuje przeniesienie (ładnie powiedziane : transfer) elektronów z jednego reagenta do drugiego. To wciąż brzmi jak jakaś nieprzyjemna definicja, więc spójrzmy na przykład :

No dobrze, ale skąd mamy akurat wiedzieć, że w reakcji dochodzi do przenoszenia elektronów? I dlaczego to akurat glin oddaje elektrony, a nie odwrotnie? Aby odpowiedzieć na to pytanie trzeba osobno spojrzeć na glin oraz miedź :

Jak widzimy, w reakcji faktycznie zmienia się liczba elektronów miedzi oraz glinu! Jeśli z metalu robimy kation, to odejmujemy elektrony (pamiętamy, że elektron ma ładunek minus, zatem jeśli odejmujemy elektrony, to powstający jon ma ładunek dodatni, czyli jest kationem).

Zawsze warto jeszcze podglądać reakcje na poziomie mikroskopowym. Weźmy inny przykład reakcji redoks, czyli syntezę tlenku magnezu z pierwiastków.

Pomimo, że tlenki nie dysocjują, to wiemy, że w takim tlenku magnezu znajdują się jony magnezu Mg²⁺ oraz aniony O^2ー. Widzimy zatem, że magnez stracił dwa elektrony, a tlen te dwa elektrony przyjął.

 

Jednak patrząc na reakcję syntezy wody nie widać żadnych plusów i minusów (kationów i anionów) i ciężko na pierwszy rzut oka ocenić, czy faktycznie byłaby to reakcja redoks (należałoby cząsteczkę ,,podzielić na kationy oraz aniony, jako zapis brudnopisowy”). Dlatego za chwilę poznamy stopnie utlenienia, które pozwolą nam szybko i bezbłędnie to oceniać.

3. Czy redoksy są w ogóle istotne?

Tak i dlatego trochę się z nimi pomęczymy. Reakcje utlenienia i redukcji są bardzo rozpowszechnione i mogą zachodzić zarówno w roztworze jak i poza nim. Typowymi przykładami z życia wziętymi są :

• Pomiar stężenia wódeczki po studniówkowej imprezie w surowicy krwi (jeśli masz < 18 lat to oczywiście zakładam, że nawet nie wiesz o czym mowa). Etanol reaguje tam ze związkiem chromu oddając elektrony.

• Korozja (niszczenie) samochodów, to w rzeczywistości reakcja redoks związana z żelazem.

• Rozjaśnianie włosów typowo z użyciem nadtlenku wodoru.

• Reakcje chemiczne zachodzące w bateriach są modelowymi procesami redoks, dzięki którym ,,mamy prąd”.

---

^[1] Załóżmy optymistycznie, że siedzisz teraz na nieciekawej lekcji i poziom nudy jest tak wysoki, że chcesz spróbować zbilansować tą reakcję. Oczywiście robimy to metodą prób i błędów, po prostu jest to trudniejsze niż zwykle i musimy się troszkę więcej pogłowić.

Najgorszym rozwiązaniem jest próba bilansowania azotu albo tlenu. Dlaczego? Dlatego, że azot pojawia się w dwóch związkach (po prawej), a tlen aż w trzech (mówimy dalej tylko o prawej stronie czyli produktach).

Najłatwiej bilans rozpoczynać od tych pierwiastków, które pojawiają się tylko raz zarówno w substratach (lewa strona) jak i produktach (prawa strona). Zatem zaczynamy od miedzi.

Po lewej mamy metaliczną miedź, a po prawej azotan miedzi, zatem można powiedzieć, że miedź jest już zbilansowana. Inaczej mówiąc, cyferki (współczynniki stechiometryczne) muszą być takie same w obu związkach. A więc zapiszmy to, dopisując tam jedynki.

Zatem już dwa związki są uzgodnione. Oczywiście możemy tam dać dowolne inne cyferki, byle były takie same. Jedynki wydają się po prostu najprzyjemniejsze.

Teraz polujemy na kolejny pierwiastek, który pojawia się tylko raz po obu stronach. Jest to wodór. Moglibyśmy zatem dać dwójkę przed kwasem azotowym i zostawić jedynkę przed wodą, ale… od razu widać, że azot nie będzie nam się zgadzał. Spójrzmy :

W takim razie, aby azot był w porządku, to zamiast dwójki i jedynki przed HNO₃ oraz H₂O wstawmy odpowiednio czwórkę i dwójkę :

W tym momencie nie jest już dramatycznie, ponieważ został nam do zbilansowania tylko tlenek azotu. Czyli wstawiamy dwójkę przed tlenkiem, aby liczba azotów się zgadzała. Okazuje się jednak, że wcale nie jest różowo, ponieważ nie zgadza się liczba tlenów – po lewej jest ich dwanaście, po drugiej jest dziesięć.

Faktycznie jest ciężko i wydaje się, że to sytuacja bez wyjścia. Ale mamy można by powiedzieć, jeden stopień swobody – możemy dowolnie zmieniać cyferki przy miedzi oraz azotanie miedzi. Skoro brakuje atomów tlenu po prawej stronie, to można spróbować wstawić przed nimi dwójkę, aby zwiększyć ilość tlenów w produktach :

Wówczas liczba atomów tlenu jest za duża po prawej, więc zwiększamy cyferki przy kwasie azotowym i wodzie (pamiętając, że kwasu azotowego będzie dwa razy więcej, aby atomy wodoru się zgadzały). Zmienia nam się liczba atomów azotu, więc bilansujemy także tlenek azotu.

Wciąż się nie zgadza, chociaż jest już bliżej. Spróbujmy zatem dać trójkę przy miedzi i odpowiednio zbilansować tlenek azotu.

O matko, zgadza się! Po wielkich bólach i mocnym eksploatowaniu ,,metody prób i błędów”. Nie możemy sobie pozwolić na coś takiego podczas rozwiązywania zadań czy oczywiście w trakcie matury, bo zabiera to zbyt dużo czasu. Dlatego będziemy uczyć się specjalnej metody bilansowania reakcji redoks.