Miedź wrzucona do stężonego kwasu azotowego(V) roztwarza się, a nad roztworem unosi się brunatny gaz. Szkielet równania jest krótki: Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O. Współczynniki to 1, 4, 1, 2 i 2, a czwórka przy kwasie nie wynika z samego liczenia elektronów. Metoda jonowo-elektronowa zamienia zgadywanie w procedurę: rozbijasz reakcję na dwie półreakcje, uzgadniasz każdą osobno i składasz je tak, żeby elektrony się skróciły.
1Co rozpisać na jony
Metoda nazywa się jonowo-elektronowa (w zbiorach zadań spotkasz też nazwę bilans elektronowo-jonowy), bo do półreakcji wpisujesz jony. Tylko te, które naprawdę pływają w roztworze: na jony rozpisujesz mocne kwasy, mocne zasady i rozpuszczalne sole. W całości zostawiasz wodę, H₂O₂, słabe kwasy, osady, gazy, tlenki i pierwiastki!
Z rozpisanego związku bierzesz tylko jon z pierwiastkiem, który zmienia stopień utlenienia. Reszta jonów to widzowie: K⁺ z KMnO₄ albo SO₄²⁻ z kwasu siarkowego(VI) przechodzą przez reakcję bez zmian.
Co trafia do półreakcji:
- KMnO₄ to rozpuszczalna sól, więc piszesz sam jon MnO₄⁻.
- HNO₃ to mocny kwas, więc piszesz NO₃⁻.
- H₂O₂ nie jest mocnym elektrolitem, więc piszesz całą cząsteczkę.
- MnO₂ to tlenek, a Cl₂ pierwiastek, więc oba zapisujesz w całości.
2Półreakcja w czterech krokach
Zaczynasz od stopni utlenienia. W reakcji miedzi z kwasem azotowym(V) miedź przechodzi z 0 na +2, więc się utlenia. Azot przechodzi z +5 w NO₃⁻ na +4 w NO₂, więc się redukuje. Każdą z tych przemian zapisujesz jako osobną półreakcję i uzgadniasz w stałej kolejności:
- Najpierw uzgadniasz atomy pierwiastka, który zmienia stopień utlenienia.
- Potem dopisujesz elektrony: tyle, ile wynosi zmiana stopnia utlenienia razy liczba atomów.
- Następnie wyrównujesz ładunek jonami H⁺, gdy w równaniu jest kwas.
- Na koniec uzupełniasz tlen i wodór wodą.
Redukcja NO₃⁻ do NO₂.
- Najpierw piszesz szkielet: NO₃⁻ → NO₂ Azot już się zgadza, po jednym atomie.
- Potem dopisujesz elektrony: azot przechodzi z +5 na +4, a atom azotu jest jeden, więc bierze 1 elektron: NO₃⁻ + e⁻ → NO₂
- Następnie wyrównujesz ładunek: po lewej jest -2, po prawej 0, więc dokładasz 2H⁺ po lewej: NO₃⁻ + 2H⁺ + e⁻ → NO₂
- Na koniec dopisujesz wodę: po lewej zostały 2 atomy H i 1 atom O, więc: NO₃⁻ + 2H⁺ + e⁻ → NO₂ + H₂O
Elektrony zawsze dopisujesz jako dodawane: przy utlenianiu stoją po prawej, przy redukcji po lewej. Woda ma ładunek 0, więc dopisana na końcu niczego nie psuje. Półreakcja miedzi jest krótsza:
Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
W dichromianie są dwa atomy chromu. Każdy przechodzi z +6 na +3 i bierze 3 elektrony, więc półreakcja potrzebuje 6e⁻, a nie 3e⁻: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O Ten sam błąd zdarza się przy jodzie: najpierw piszesz 2I⁻, a dopiero potem 2e⁻.
3Złożenie: elektrony muszą się skrócić
Półreakcje mnożysz tak, żeby elektronów oddanych było tyle samo co przyjętych. Miedź oddaje 2 elektrony, a jeden jon NO₃⁻ bierze 1, więc półreakcję redukcji mnożysz przez 2:
- Najpierw zapisujesz utlenianie: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
- Potem mnożysz redukcję przez 2: 2NO₃⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → 2NO₂ + 2H₂O
- Na koniec dodajesz obie półreakcje stronami, a 2e⁻ znikają po obu stronach: Cu + 2NO₃⁻ + 4H⁺ → Cu²⁺ + 2NO₂ + 2H₂O
Jeśli po dodaniu elektrony się nie skróciły, błąd siedzi w półreakcji albo w mnożnikach. Wtedy wracasz do półreakcji, zamiast dopisywać elektrony na siłę.
Zostaje powrót do równania cząsteczkowego. 4H⁺ pochodzą z czterech cząsteczek HNO₃. Dwa jony NO₃⁻ zredukowały się do NO₂, a dwa pozostałe są widzami i trafiają razem z Cu²⁺ do soli Cu(NO₃)₂:
Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
Na koniec sprawdzasz tlen i wodór: tlenu jest 12 po lewej i 6 + 4 + 2 = 12 po prawej, wodoru 4 i 4. Związek, którego nie było w półreakcjach (tu sól), zawsze dobierasz na końcu ze zwykłego bilansu atomów.
Te same półreakcje wracają w ogniwach, gdzie szereg elektrochemiczny mówi, która z nich biegnie jako redukcja.
4Gdy zadanie od razu daje jony
Gdy równanie jest jonowe, jest prościej: nic nie rozpisujesz i nie wracasz do cząsteczek. Klasyczny przykład to manganian(VII) z jonami żelaza(II) w środowisku kwasowym:
MnO₄⁻ + Fe²⁺ + H⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺ + H₂O
- Najpierw zapisujesz redukcję: mangan przechodzi z +7 na +2, więc bierze 5 elektronów: MnO₄⁻ + 5e⁻ → Mn²⁺
- Potem wyrównujesz ładunek: po lewej jest -6, po prawej +2, więc dokładasz 8H⁺ po lewej.
- Następnie dopisujesz wodę: 8 atomów H i 4 atomy O dają 4H₂O po prawej: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O
- Potem zapisujesz utlenianie i mnożysz je przez 5: 5Fe²⁺ → 5Fe³⁺ + 5e⁻
- Na koniec dodajesz półreakcje stronami: MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O
W równaniu jonowym sprawdzasz też ładunek. Po lewej -1 + 5 · (+2) + 8 · (+1) = +17, po prawej +2 + 5 · (+3) = +17, więc równanie jest dobrze uzgodnione.
W środowisku obojętnym i zasadowym mangan daje inne produkty, więc półreakcja wygląda inaczej. Rozpisuję to w artykule KMnO₄ w różnych środowiskach.
5Rozwiązane przykłady
Rozcieńczony kwas azotowy(V) roztwarza miedź inaczej niż stężony: zamiast NO₂ powstaje bezbarwny NO.
Uzupełnij współczynniki stechiometryczne w poniższym schemacie reakcji.
…Cu + …HNO₃ → …Cu(NO₃)₂ + …NO + …H₂O
Najpierw zapisujesz utlenianie: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
Potem uzgadniasz redukcję: azot przechodzi z +5 na +2, więc bierze 3 elektrony. Ładunek wyrównujesz 4H⁺, a tlen wodą: NO₃⁻ + 4H⁺ + 3e⁻ → NO + 2H₂O
Następnie mnożysz utlenianie przez 3, a redukcję przez 2, i dodajesz stronami: 3Cu + 2NO₃⁻ + 8H⁺ → 3Cu²⁺ + 2NO + 4H₂O
Potem wracasz do cząsteczek: 8H⁺ to 8HNO₃. Dwa azotany przeszły w NO, a sześć zostało w 3Cu(NO₃)₂.
Na koniec sprawdzasz tlen i wodór: tlenu jest 24 po lewej i 18 + 2 + 4 = 24 po prawej, wodoru 8 i 8.
Odpowiedź 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
Zadanie z matury: maj 2023, zadanie 16
CKE podało tu gotową półreakcję utleniania z niewiadomą liczbą elektronów x. Jony wodoru zapisało jako H₃O⁺. To ten sam jon H⁺ połączony z cząsteczką wody, więc zmienia się tylko liczba cząsteczek wody w bilansie.
W środowisku wodnym aniony tiosiarczanowe reagują z chlorem zgodnie ze schematem:
S₂O₃²⁻ + Cl₂ + H₂O → SO₄²⁻ + Cl⁻ + H₃O⁺
Podczas tej reakcji aniony tiosiarczanowe ulegają utlenieniu, które przebiega według schematu:
S₂O₃²⁻ + 15H₂O → 2SO₄²⁻ + 10H₃O⁺ + x e⁻
Uzupełnij współczynniki stechiometryczne w poniższym schemacie reakcji.
…S₂O₃²⁻ + …Cl₂ + …H₂O → …SO₄²⁻ + …Cl⁻ + …H₃O⁺
Najpierw liczysz elektrony ze stopni utlenienia: siarka ma w S₂O₃²⁻ średnio +2, a w SO₄²⁻ +6. Dwa atomy oddają po 4 elektrony, więc x = 8.
Potem zapisujesz redukcję chloru: Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻
Następnie mnożysz redukcję przez 4, żeby elektronów było 8: 4Cl₂ + 8e⁻ → 8Cl⁻
Potem dodajesz półreakcje stronami: S₂O₃²⁻ + 4Cl₂ + 15H₂O → 2SO₄²⁻ + 8Cl⁻ + 10H₃O⁺
Na koniec sprawdzasz: tlenu jest 3 + 15 = 18 i 8 + 10 = 18, wodoru 30 i 30, a ładunek wynosi -2 po lewej i -4 - 8 + 10 = -2 po prawej.
Odpowiedź 1, 4, 15, 2, 8, 10
Przed S₂O₃²⁻ wpisujesz 1, żeby nie zostawić pustego miejsca.
6Zadania do samodzielnego rozwiązania
W środowisku kwasowym jony azotanowe(III) NO₂⁻ można utlenić do jonów azotanowych(V) NO₃⁻, a jony jodanowe(V) IO₃⁻ zredukować do jodu I₂.
a) Napisz w formie jonowej z uwzględnieniem liczby oddawanych elektronów (zapis jonowo-elektronowy) równanie utleniania jonów NO₂⁻ do jonów NO₃⁻ w środowisku kwasowym.
b) Napisz w formie jonowej z uwzględnieniem liczby pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy) równanie redukcji jonów IO₃⁻ do I₂ w środowisku kwasowym.
Pokaż rozumowanieUkryj rozumowanie
a) Azot przechodzi z +3 na +5, więc oddaje 2 elektrony. To utlenianie, więc 2e⁻ stoją po prawej: NO₂⁻ → NO₃⁻ + 2e⁻
Wyrównujesz ładunek: po lewej jest -1, po prawej -1 - 2 = -3. W środowisku kwasowym dokładasz 2H⁺ po prawej.
Wyrównujesz tlen i wodór wodą: po prawej są 2 atomy H i o jeden atom O więcej, więc jedna cząsteczka wody stoi po lewej: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻
b) Uzgadniasz atomy jodu: z dwóch jonów IO₃⁻ powstaje jedna cząsteczka I₂: 2IO₃⁻ → I₂
Jod przechodzi z +5 na 0, a atomy są dwa, więc pobiera 2 · 5 = 10 elektronów.
Elektrony liczysz na wszystkie atomy jodu, nie na jeden.
Wyrównujesz ładunek: po lewej jest -2 - 10 = -12, po prawej 0, więc dokładasz 12H⁺ po lewej.
Zostaje 12 atomów H i 6 atomów O, czyli 6H₂O po prawej: 2IO₃⁻ + 12H⁺ + 10e⁻ → I₂ + 6H₂O
Pokaż odpowiedźUkryj odpowiedź
a) NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻
b) 2IO₃⁻ + 12H⁺ + 10e⁻ → I₂ + 6H₂O
Po dodaniu wody utlenionej do zakwaszonego roztworu manganianu(VII) potasu fioletowy roztwór się odbarwia i wydziela się tlen. Przebieg reakcji opisuje schemat:
…MnO₄⁻ + …H₂O₂ + …H⁺ → …Mn²⁺ + …O₂ + …H₂O
Uzupełnij współczynniki stechiometryczne w powyższym schemacie.
Pokaż rozumowanieUkryj rozumowanie
H₂O₂ nie jest mocnym elektrolitem, więc wchodzi do półreakcji w całości.
Utlenianie: tlen przechodzi z -1 na 0, a atomy są dwa, więc H₂O₂ oddaje 2 elektrony: H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e⁻
Redukcja: mangan przechodzi z +7 na +2 i pobiera 5 elektronów: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O
Żeby elektronów było po 10, mnożysz utlenianie przez 5, a redukcję przez 2: 5H₂O₂ → 5O₂ + 10H⁺ + 10e⁻ 2MnO₄⁻ + 16H⁺ + 10e⁻ → 2Mn²⁺ + 8H₂O
Dodajesz stronami. Jony H⁺ są po obu stronach: 16 po lewej i 10 po prawej.
H⁺ skracasz tak jak elektrony. Po lewej zostaje 16 - 10 = 6H⁺, a po prawej żadnego.
Współczynniki to 2, 5, 6, 2, 5, 8.
Pokaż odpowiedźUkryj odpowiedź
2MnO₄⁻ + 5H₂O₂ + 6H⁺ → 2Mn²⁺ + 5O₂ + 8H₂O
Manganian(VII) potasu w środowisku kwasu siarkowego(VI) utlenia jony żelaza(II) do jonów żelaza(III). Tę reakcję wykorzystuje się w analizie chemicznej do oznaczania zawartości żelaza. Przebieg reakcji opisuje schemat:
…KMnO₄ + …FeSO₄ + …H₂SO₄ → …MnSO₄ + …Fe₂(SO₄)₃ + …K₂SO₄ + …H₂O
Uzupełnij współczynniki stechiometryczne w powyższym schemacie.
Pokaż rozumowanieUkryj rozumowanie
Utlenianie: żelazo przechodzi z +2 na +3 i oddaje 1 elektron: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻
Redukcja: mangan przechodzi z +7 na +2 i pobiera 5 elektronów: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O
Mnożysz utlenianie przez 5 i dodajesz stronami: MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O
W Fe₂(SO₄)₃ są dwa atomy żelaza, a 5 jest liczbą nieparzystą, więc mnożysz całe równanie przez 2: 2MnO₄⁻ + 10Fe²⁺ + 16H⁺ → 2Mn²⁺ + 10Fe³⁺ + 8H₂O
Przy związku z dwoma atomami żelaza liczba jonów Fe³⁺ musi być parzysta.
Przenosisz współczynniki na związki: 2KMnO₄, 10FeSO₄, 8H₂SO₄ (to 16H⁺), 2MnSO₄, 5Fe₂(SO₄)₃ i 8H₂O.
Dwa atomy potasu z 2KMnO₄ trafiają do jednej cząsteczki K₂SO₄.
Siarkę sprawdzasz na końcu, bo pojawia się w czterech związkach: 10 + 8 = 18 po lewej i 2 + 15 + 1 = 18 po prawej.
Współczynniki to 2, 10, 8, 2, 5, 1, 8.
Pokaż odpowiedźUkryj odpowiedź
2KMnO₄ + 10FeSO₄ + 8H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 8H₂O
Schemat na każde bilansowanie redoks
- Ustal stopnie utlenienia i znajdź pierwiastek, który oddaje elektrony, oraz ten, który je przyjmuje.
- Napisz szkielety półreakcji. Na jony rozpisuj tylko mocne elektrolity rozpuszczalne w wodzie.
- W każdej półreakcji uzgodnij kolejno atomy, elektrony, ładunek (jonami H⁺) i wodę.
- Pomnóż półreakcje tak, żeby liczby elektronów były równe, i dodaj je stronami.
- Przenieś współczynniki do równania cząsteczkowego i sprawdź tlen, wodór oraz ładunek.
Zapamiętaj do matury4 z 4
- Co rozpisać na jony
Na jony rozpisujesz tylko mocne elektrolity. Do półreakcji bierzesz jon z pierwiastkiem, który zmienia stopień utlenienia.
- Kolejność w półreakcji
Uzgadniasz kolejno atomy, elektrony, ładunek i wodę. Elektrony to zmiana stopnia utlenienia razy liczba atomów.
- Złożenie półreakcji
Mnożysz półreakcje tak, żeby elektronów było po równo, i dodajesz stronami. Resztę dobierasz z bilansu atomów.
- Kontrola
Na końcu sprawdzasz tlen, wodór, a w równaniu jonowym także ładunek.
Na koniec: dwie ciekawostki o redoksach
Jak żuk bombardier podgrzewa swoją ciecz obronną do 100°C?
Żuk bombardier strzela redoksem
Chrząszcz trzyma w odwłoku osobno mieszaninę nadtlenku wodoru i hydrochinonu, a osobno komorę z enzymami. W chwili zagrożenia wtryskuje mieszaninę do komory. Jeden enzym rozkłada nadtlenek wodoru na wodę i tlen, drugi przyspiesza utlenianie hydrochinonu do drażniącego benzochinonu. Wydzielone ciepło podgrzewa ciecz do około 100°C, a tlen wyrzuca ją jak gaz z lufy. Żuk strzela pulsującym strumieniem, kilkaset impulsów na sekundę.
Dlaczego chromianka z chromem na +6 zniknęła z większości laboratoriów?
Chromianka zieleniała, gdy się zużyła
Przez ponad sto lat szkło laboratoryjne myto chromianką, czyli dichromianem rozpuszczonym w stężonym kwasie siarkowym(VI). Pomarańczowy roztwór utleniał każdy brud organiczny, a zużyty robił się zielony, bo chrom przechodził z +6 na +3. Z większości laboratoriów zniknęła, gdy okazało się, że związki chromu(VI) są silnie rakotwórcze. Jony chromianowe(VI) przypominają jony siarczanowe(VI), więc łatwo wnikają do komórek, a tam redukują się i uszkadzają DNA. Związki chromu(III) przenikają do komórek słabo i są znacznie mniej szkodliwe.
Za darmo
Weź darmowy moduł kursu
Cały moduł „Wstęp do chemii organicznej”, z dostępem na rok.
Nie kupujesz dziś? Weź darmową Mapę maturalną
Zapisując się, zgadzasz się na e-maile ode mnie…
(Adrian Warzybok, KaNaU) o nauce chemii, nowościach i ofertach KaNaU — w ramach tego zapisu wysyłam Ci mapę. Zgodę wycofasz w każdej chwili. Polityka prywatności.
