3.1. Reakcije oksidacije i redukcije u vodenim otopinama

Određuje oksidacijski broj atoma u zadanome primjeru.
Povezuje pojmove oksidacije i redukcije s promjenom oksidacijskoga broja atoma u anorganskim spojevima.
Određuje oksidacijsko i redukcijsko sredstvo u nekoj kemijskoj reakciji.
Piše jednadžbe polureakcija za oksidaciju i redukciju te ukupnu jednadžbu redoks-reakcije.

Uvod

U reakciji sinteze iz elementarnog natrija i klora nastaje ionski spoj, natrijev klorid.

$Natrij,Na(s)$

Fotografija prikazuje prljavobijelu kocku natrija.

Natrij je srebrnasto bijeli metal, vrlo je mekan, lako se reže nožem, čuva se u petroleju.
Gori žutim plamenom.
Natrij je najrasprostranjeniji alkalijski metal kojeg u prirodi nema u elementarnom stanju zbog nepostojanosti na zraku i velike reaktivnosti.

4Na(s) + O $_2$ (g) + 4CO $_2$ (g) + 2H $_2$ O(g) $\rightarrow$ 4NaHCO $_3$ (s)

Natrij vrlo burno reagira i s vodom istiskujući vodik.

2Na(s)+ 2H $_2$ O(l) $\rightarrow$ 2Na $^+$ (aq) + 2OH $^–$ (aq) + H $_2$ (g)

U Zemljinoj kori je po zastupljenosti na 6. mjestu, w = 2,6 %.
Otkrio ga je H. Davy, 1807. g.

$Klor, Cl_2(g)$

Fotografija prikazuje začepljenu staklenu tikvicu s klorom u plinovitom stanju, žutozelene boje.

Klor je otrovan zelenožuti plin, oštrog bockajućeg mirisa.

Klora, Cl $_2$ (g), u prirodi nema u elementarnom stanju zbog njegove velike reaktivnosti. Klor se najčešće nalazi u kloridima alkalijskih i zemnoalkalijskih metala kojih ima u morskoj vodi, isušenim slanim jezerima i podzemnim nalazištima.

Otkrio ga je C. W. Scheele, 1774. g.

Pozorno pogledajte videozapis Sinteza natrijeva klorida.

Video 1.

Sinteza natrijeva klorida

0

Navedena reakcija pripada skupini oksidacijsko-redukcijskih reakcija u kojoj se atomi natrija oksidiraju, a molekule klora reduciraju.

oksidacija: Na $\rightarrow$ Na $^+$ + 1e $^–$ /ᐧ2
redukcija: Cl $_2$ + 2e $^–$ $\rightarrow$ 2Cl $^–$
________________________
2Na $\rightarrow$ 2Na $^+$ + 2e $^–$
Cl $_2$ + 2e $^–$ $\rightarrow$ 2Cl $^–$
_________________________
2Na(s) + Cl $_2$ (g) $\rightarrow$ 2NaCl(s)

NAPOMENA: Ponovite ionsko povezivanje.

Problemski zadatak

Pozorno proučite aparaturu i opišite pokus kojim možete dokazati da je natrijev klorid kemijski spoj ionske građe.

3D prikaz aparature za za elektrolizu taline NaCl(s): Prikazan je rotirajući trodimenzijski model aparature za elektrolizu taline natrijeva klorida 3D prikaz aparature fullscreen Pokreni play_arrow

Natrijevi se ioni oksidiraju, tj. otpuštaju elektrone, a molekule klora se reduciraju, primaju elektrone. Natrij u reakciji reducira klor, prema tome je reducens, a klor oksidira natrij, prema tome klor je oksidans. Reakcija u kojoj dolazi do prijelaza elektrona, u kojoj jedna kemijska vrsta otpušta, a druga prima elektrone je .

Određivanje reducensa i oksidansa u reakciji u kojoj sudionici nisu ionski spojevi nešto je složenije. Prije svega, potrebno je odrediti atoma svih sudionika u reakciji, bilo da se nalaze u elementarnom stanju, u kovalentnim molekulama ili u ionskim spojevima.

Oksidacijski broj

Oksidacijski broj se piše rimskim brojevima u sredini iznad simbola kemijskoga elementa. On može biti pozitivan ili negativan. Predznak plus ispred rimskoga broja se ne piše. Oksidacijski se broj može odrediti za svaki atom u formuli spoja prema određenim pravilima.

Pravila za određivanje oksidacijskog broja

	Pravila za određivanje oksidacijskog broja	Primjeri
1	Oksidacijski broj atoma i molekula elementarnih tvari je 0.	${\overset{0}{{K}},\overset{0}{{Ca}},\overset{0}{{Fe}},\overset{0}{{O}}_2,\overset{0}{{P}}_4,\overset{0}{{Br}}_2}$
2	Oksidacijski broj atoma vodika je I, u svim spojevima osim u metalnim hidridima gdje je –I.	${\overset{\textrm{I}}{{H}}{Br}},{\overset{\textrm{I}}{{H}}_2{SO_4}},{{Na}\overset{-\textrm{I}}{{H}}}$
3	Oksidacijski broj atoma fluora u svim spojevima je –I, jer je fluor najelektronegativniji element.	${{H}\overset{-\textrm{I}}{{F}}},{{Ca}\overset{-\textrm{I}}{{F_2}}},{{Na_3{Al}}\overset{-\textrm{I}}{{F_6}}}$
4	Atom kisika ima u svim spojevima oksidacijski broj –II, osim u peroksidima, gdje je –I i superoksidima, –I/II.	${{H_2}\overset{-\textrm{II}}{{O}}},{{Mg}\overset{-\textrm{II}}{{O}}},{{H_2}\overset{-\textrm{I}}{{O}}_2},{{K}\overset{-\textrm{I/II}}{{O}}_2}$
5	Oksidacijski broj atoma elemenata 1. skupine u spojevima je I, a atoma elemenata 2. skupine je II.	${\overset{\textrm{I}}{{K}}{Cl}},{\overset{\textrm{I}}{{Na}}_2{SO_4}},{\overset{\textrm{II}}{{Ca}}{Cl_2}}$
6	U jednoatomnim ionima, oksidacijski broj je jednak nabojnom broju iona.	${\overset{\textrm{I}}{\ce{Rb}}{^+}},{\overset{\textrm{II}}{\textrm{Sr}}{^{2+}}},{\overset{-\textrm{I}}{\ce{Br}}{^-}},{\overset{-\textrm{II}}{\ce{S}}{^{2-}}}$
7	U poliatomnim ionima, zbroj oksidacijskih brojeva atoma jednak je nabojnom broju iona.	${\overset{\textrm{V}}{{N}}\overset{-\textrm{II}}{{O}}_3{^-}},{\overset{{VI}}{{S}}\overset{-\textrm{II}}{{O}}_4{^{2-}}},{\overset{\textrm{V}}{{P}}\overset{-\textrm{II}}{{O}}_4{^{3-}}}$
8	Zbroj oksidacijskih brojeva u molekuli ili formulskoj jedinki jednak je nuli.	${\overset{\textrm{I}}{{H}}\overset{\textrm{x}}{{N}}\overset{-\textrm{II}}{{O}}_3}$ ${(+1)+x+3\cdot (–2)=0}$ ${(+1)+(–6)+x=0}$ ${x=5}$

Navedene su formule tvari koje sadrže sumpor. U kojem od navedenih spojeva sumpor ima oksidacijski broj IV?

Na $_2$ SO $_4$

SO $_3$

SF $_4$

H $_2$ S

Navedene su formule iona ili formulskih jedinki mangana s kisikom. Odredite oksidacijske brojeve mangana i upišite ih na predviđeno mjesto.

MnO $_4$ $^–$

MnO

_4

^{2–}

_2

_3

MnO

_2

Navedene formule razvrstajte u niz od tvari s najmanjim do tvari s najvećim oksidacijskim brojem klora.

Tvari: HClO $_2$ , Cl $_2$ , KClO $_3$ , Cl $_2$ O $_7$ , HClO, NaCl

Molimo koristite virtualnu tipkovnicu za unos kako bi osigurali ispravnu validaciju objekta.

U kojoj od navedenih tvari kisik ima oksidacijski broj –II.

KO $_2$

O $_3$

H $_2$ O $_2$

K $_2$ CrO $_4$

Oksidacija i redukcija u vodenim otopinama

Uređenje jednadžbe redoks-reakcije bakra i razrijeđene dušične kiseline prikazano je riješenim primjerom.

Zadatak:

U reakciji bakra s razrijeđenom dušičnom kiselinom nastaju bakrov(II) nitrat, dušikov(II) oksid i voda.

Slika 1.

Reakcija bakra s razrijeđenom dušičnom kiselinom

Fotografija prikazuje reakciju bakra s razrijeđenom dušičnom kiselinom.

1. Prema opisanoj reakciji napišu se reaktanti i produkti kemijske reakcije.

$Cu\left(s\right)+HNO_3\left(aq\right)\longrightarrow Cu(NO_3)_2\left(aq\right)+NO\left(g\right){+H_2O(l)}$

2. Napiše se ionski oblik sudionika u reakciji.

$Cu\left(s\right)\space +\space _{}H^+\left(aq\right)\space +\space NO^–_3\left(aq\right)\space \longrightarrow \space Cu^{2+}\left(aq\right)\space +\space 2NO^–_3\left(aq\right)\space +\space NO\left(g\right)\space +\space H_2O\left(l\right)$

3. Odrede se oksidacijski brojevi svih atoma u reakciji. Povećanje oksidacijskog broja je oksidacija, a smanjenje oksidacijskog broja redukcija.

Fotografija prikazuje određivanje oksidacijskih brojeva svih atoma u reakciji bakra s razrijeđenom dušičnom kiselinom. Povećanje oksidacijskog broja je oksidacija, a smanjenje oksidacijskog broja redukcija.

4. Napišu se parcijalne jednadžbe oksidacije i redukcije i izjednači broj elektrona.

0
oksidacija: Cu $\rightarrow$ Cu $^{2+}$ + 2e $^–$ /ᐧ3
V II
redukcija: NO $_3$ $^–$ + 4H $^+$ + 2e $^–$ $\rightarrow$ NO + 2H $_2$ O /ᐧ2
___________________________________________________

zbirno: 3Cu + 2NO $_3$ $^–$ + 8H $^+$ +6e $^–$ $\rightarrow$ 3Cu $^{2+}$ + 6e $^–$ + 2NO + 4H $_2$ O

NAPOMENA: Kad se reakcija odvija u kiselom mediju, s lijeve strane treba dodati toliko vodikovih iona koliko je potrebno da se atomi kisika vežu u vodu. Broj vodikovih iona, H⁺, određuje broj molekula dušične kiseline u reakciji.

5. Uravnotežena jednadžba kemijske reakcije uključuje i nitratne ione, NO $_3$ $^–$ koji nisu sudjelovali u reakciji redukcije.

Odgovor: Uravnotežena jednadžba kemijske reakcije je:

$3Cu(s)+8HNO_3(aq)\longrightarrow 3Cu(NO_3)_2(aq)+2NO(g)+4H_2O(l)$

Po odgledanom videozapisu Primjer redoks- reakcije odgovorite na pitanja.

Video 2.

Primjer redoks- reakcije

0

Tijekom prikaza videozapisa, primjećujete da jednadžba kemijske reakcije nije izjednačena. Riješite ovaj redoks i upišite stehiometrijske koeficijente sudionika opisane reakcije.

U redoks-reakciji vodikova peroksida i kalijeva permanganata nastaju kalijev sulfat, manganov(II) sulfat, kisik i voda.

H_2O_2(aq)+

KMnO_4(aq)+

H_2SO_4(aq)\longrightarrow

\longrightarrow

K_2SO_4(aq)+

MnSO_4(aq)+

O_2(aq)+

H_2O(l)

Napomena: Ako smatrate da ispred neke formule se ne piše nijedan broj, tada je njegov stehiometrijski koeficijent broj 1. Upišite broj 1, kako bi vam se priznao točan odgovor.

Molimo koristite virtualnu tipkovnicu za unos kako bi osigurali ispravnu validaciju objekta.

Odredite oksidans i reducens u navedenoj reakciji.

$5H_2O_2(aq)+2KMnO_4(aq)+3H_2SO_4(aq)\longrightarrow K_2SO_4(aq)+2MnSO_4(aq)+5O_2(g)+8H_2O(l)$

oksidans:

reducens:

Molimo koristite virtualnu tipkovnicu za unos kako bi osigurali ispravnu validaciju objekta.

Upišite točan odgovor.

Zbog čega se u reakciji javljaju mjehurići?

U reakciji se razvija

. Koju tvar sadrže mjehurići?

Koncentracija dvovalentnih iona željeza u vodenoj otopini, kvantitativno se može odrediti titracijom s vodenom otopinom kalijeva permanganata, KMnO $_4$ , koja je prethodno zakiseljena sumpornom kiselinom. U reakciji se dvovalentni ioni željeza oksidiraju u trovalentne, a redukcijom permanganatnog iona nastaju dvovalentni ioni mangana.

Tijekom praćenja videozapisa odgovorite na pitanja.

Oksidacija dvovalentnih iona željeza

0

Oksidacija dvovalentnih iona željeza

Upišite stehiometrijske koeficijente sudionika opisane reakcije.

Fe^{2+}(aq)+

MnO_{4^{^{}}}^-\left(aq\right)+

H^+\left(aq\right)\longrightarrow

\longrightarrow

Fe^{3+}\left(aq\right)+

Mn^{2+}\left(aq\right)+

H_2O\left(aq\right)

Napomena: Ako smatrate da ispred neke formule se ne piše nijedan broj, tada je njegov stehiometrijski koeficijent broj 1. Upišite broj 1, kako bi vam se priznao točan odgovor.

Molimo koristite virtualnu tipkovnicu za unos kako bi osigurali ispravnu validaciju objekta.

U reakciji slitine kroma i željeza s kiselinom, jedan od produkata su dvovalentni ioni željeza. Ako je masa slitine iznosila 10,0 g, a za titraciju utrošeno 110 mL vodene otopine kalijeva permanganata množinske koncentracije 0,200 mol L^–1, izračunajte maseni udio željeza u slitini.

Rješenje: w(Fe) =

Promislite i odgovorite

Uz svaku od navedenih promjena napišite pojam: oksidacija ili redukcija. Navedite oksidacijske brojeve vrsta prije i poslije reakcije.

a) $MnO_4^{2-}\longrightarrow MnO_4^-$ ;

; Mn(

)

\longrightarrow

Mn(

)
b)

ClO_3^-\longrightarrow ClO_2^-

;

; Cl(

)

\longrightarrow

Cl(

)
c)

Cr_2O_7^{2-}\longrightarrow Cr^{3+}

;

; Cr(

)

\longrightarrow

Cr(

)
d)

H_2S\longrightarrow SO_2

;

; S(

)

\longrightarrow

)

Odredite koja je tvar oksidans, a koja reducens u navedenoj redoks-reakciji i upišite njihove formule na odgovarajuće mjesto.

$2Br^-+MnO_2+4H^+\longrightarrow Br_2+Mn^{2+}+2H_2O$

oksidans:

reducens:

Molimo koristite virtualnu tipkovnicu za unos kako bi osigurali ispravnu validaciju objekta.

Odredite koja je tvar oksidans, a koja reducens u navedenoj redoks-reakciji i upišite njihove formule na odgovarajuće mjesto.

$3I_2+5Cr_2O_7^{2-}+34H^+\longrightarrow 6IO_3^-+10Cr^{3+}+17H_2O$

oksidans:

reducens:

Molimo koristite virtualnu tipkovnicu za unos kako bi osigurali ispravnu validaciju objekta.

3.1. Reakcije oksidacije i redukcije u vodenim otopinama

Uvod

Video 1.

Problemski zadatak

Oksidacijski broj

Oksidacija i redukcija u vodenim otopinama

1. riješeni primjer

Slika 1.

Video 2.

Promislite i odgovorite