مفاهیم اصلی

واکنش های ردوکس واکنش های فوق العاده جالب و مهمی در شیمی، به ویژه در الکتروشیمی هستند! با این حال، آنها استفاده زیادی نمی کنند، مگر اینکه به درستی متعادل شوند. در این آموزش شما یاد می گیرید که چگونه واکنش های ردوکس را متعادل کنیدو متعادل شدن چنین واکنشی به چه معناست.

موضوعات پوشش داده شده در مقالات دیگر

واژگان

• اکسیداسیون: نوعی واکنش شیمیایی که در آن یک یا چند الکترون از بین می رود.
• حالت اکسیداسیون/تعداد: عددی که به یک اتم نسبت داده می شود که درجه اکسیداسیون آن را توصیف می کند، به این معنی که چند الکترون به دست آورده یا از دست داده است.
• کاهش: نوعی واکنش شیمیایی که در آن یک یا چند الکترون به دست می آید.

بررسی: واکنش ردوکس چیست؟

واکنش ردوکس واکنشی است که در آن هم کاهش و هم اکسیداسیون اتفاق می‌افتد، به این معنی که الکترون‌هایی که در طی اکسیداسیون یک گونه از دست می‌روند، سپس در طی احیای گونه دیگر به دست می‌آیند. به این ترتیب، الکترون‌ها بین گونه‌ها مبادله می‌شوند و بار خالصی روی معادله به‌عنوان یک کل وجود ندارد.

متعادل بودن واکنش ردوکس به چه معناست؟

یک واکنش ردوکس در صورتی متعادل می‌شود که همه اتم‌های واکنش متعادل باشند، به این معنی که تعداد اتم‌های X و Y در سمت واکنش‌دهنده‌ها به همان اندازه در سمت محصولات وجود دارد. همچنین به این معنی است که الکترون‌ها و بارها متعادل هستند: تعداد الکترون‌هایی که در طول اکسیداسیون از دست می‌روند برابر است با تعداد الکترون‌هایی که در حین کاهش به دست می‌آیند. متعادل کردن واکنش های ردوکس اجازه می دهد تا معادله واکنش خالص به شیوه ای مختصر منتقل شود.

نحوه متعادل کردن واکنش های ردوکس: گام به گام

1. نیمه واکنش کاهش را بنویسید
2. نیمه واکنش اکسیداسیون را بنویسید
3. تعداد اتم های درون واکنش های نیمه را متعادل کنید
4. تعداد الکترون های منتقل شده در هر نیمه واکنش را تعیین کنید
5. تعداد الکترون ها را بین نیمه واکنش ها متعادل کنید، بنابراین تعداد از دست رفته در یکی برابر با عدد به دست آمده در دیگری است.
6. دو نیمه واکنش را در یک معادله خالص ترکیب کنید. مطمئن شوید که همیشه در پایان دوبار بررسی کنید که آیا اتم ها در هر دو طرف متعادل هستند یا خیر!

نمونه هایی از چگونگی ایجاد تعادل در واکنش های ردوکس

مثال شماره 1

بیایید برای درک این موضوع، یک مثال را مرحله به مرحله مرور کنیم. بیایید به یک مثال ساده از یک سلول الکتروشیمیایی رایج متشکل از مس و روی نگاه کنیم.

مرحله 1.

نیمه واکنش کاهشی را بنویسید. مس در این واکنش کاهش می یابد که نیمه واکنش زیر را ایجاد می کند:

مس²⁺ (ق) ← مس⁰ (ها)

گام 2.

نیمه واکنش اکسیداسیون را بنویسید. روی در این واکنش اکسید می شود که نیمه واکنش زیر را ایجاد می کند:

روی⁰ (s) → روی²⁺ (ق)

مرحله 3.

اتم ها را در نیمه واکنش ها متعادل کنید. همه متعادل! هم در محصولات و هم در واکنش دهنده های نیمه واکنش احیا یک اتم مس و هم در محصولات و هم در واکنش دهنده های نیمه واکنش اکسیداسیون فقط یک اتم روی وجود دارد.

مرحله 4.

تعداد الکترون ها را در هر نیمه واکنش تعیین کنید. از آنجایی که عدد اکسیداسیون در نیمه واکنش کاهشی دو برابر کاهش می یابد، این نشان می دهد که دو الکترون منتقل می شوند: مس²⁺ (aq) + 2e^– → مس⁰ (ها).
به همین ترتیب، با افزایش عدد اکسیداسیون در نیمه واکنش اکسیداسیون به میزان دو، این نشان می دهد که دو الکترون منتقل می شوند: روی.⁰ (s) → روی²⁺ (aq) + 2e^–

مرحله 5.

تعداد الکترون ها را متعادل کنید. دو الکترون در نیمه واکنش اکسیداسیون و دو الکترون در نیمه واکنش کاهشی از دست می‌روند، بنابراین همه متعادل هستند!

مرحله 6.

نیمه واکنش ها را با هم ترکیب کنید. واکنش کامل بدین صورت است: مس²⁺ (aq) + Zn⁰ (s) + 2e^– → روی²⁺ (ق) + مس⁰ (s) + 2e^–، یا فقط مس²⁺ (aq) + Zn⁰ (s) → روی²⁺ (ق) + مس⁰ (ها) از آنجایی که الکترون ها خنثی می شوند.

مثال شماره 2

بیایید به یک مثال ساده تر نگاه کنیم، مانند واکنشی که در ساخت پودر مس خودمان از فویل آلومینیومی انجام شد. در این آزمایش با فویل آلومینیوم، Al و سولفات مس CuSO شروع می کنیم₄. واکنش تک جابجایی منجر به تشکیل مس، مس و سولفات آلومینیوم Al₂(بنابراین₄)₃.

مرحله 0:

شناسایی حالت های اکسیداسیون این گام مهمی است که حتی قبل از شروع به تعادل واکنش ردوکس باید برداشته شود، زیرا این به ما کمک می کند تا تشخیص دهیم کدام گونه ها تحت کاهش و کدام مورد اکسیداسیون قرار می گیرند.

واکنش دهنده ها: Al⁰مس²⁺، بنابراین₄^2-
محصولات: ال³⁺مس⁰، بنابراین₄^2-

از آنجایی که حالت اکسیداسیون SO₄ یون در طول واکنش تغییر نمی کند و به عنوان یک واکنش دهنده و یک محصول ظاهر می شود، این یک یون تماشاگر است. از این رو، ما آن را تا انتها کنار می گذاریم زیرا ممکن است نیمه واکنش ها را گیج کننده تر کند.

مرحله 1.

نیمه واکنش کاهشی را بنویسید. کاهش، همانطور که می دانیم، به دست آوردن الکترون است، یعنی کاهش عدد اکسیداسیون. این نشان می دهد که مس کاهش می یابد: مس²⁺ → مس⁰

گام 2.

نیمه واکنش اکسیداسیون را بنویسید. همانطور که می دانیم اکسیداسیون از دست دادن الکترون ها به معنای افزایش عدد اکسیداسیون است. این نشان می دهد که آلومینیوم اکسید می شود: Al⁰ → آل³⁺

مرحله 3.

اتم ها را در نیمه واکنش ها متعادل کنید:

مس²⁺ → مس⁰ همانطور که هست باقی می ماند زیرا هم در واکنش دهنده ها و هم در محصولات یک مول مس وجود دارد.

با این حال، باید این واقعیت را در نظر بگیریم که محصول در واقع Al است₂(بنابراین₄)₃، به این معنی که به ازای هر آلومینیوم منفرد در واکنش دهنده ها، دو اتم آلومینیوم در محصولات وجود دارد. بنابراین، ضریب 2 را در سمت واکنش دهنده قرار می دهیم: 2Al⁰ → آل³⁺. در این مرحله، بازگرداندن یون تماشاگر برای شفاف‌سازی ممکن است مفید باشد. در آن صورت می بینیم که 2Al → Al₂(بنابراین₄)₃.

مرحله 4.

تعداد الکترون ها را در هر نیمه واکنش تعیین کنید.

مس²⁺ → مس⁰ 2 الکترون به دست می آورد، بنابراین تبدیل به مس می شود²⁺ + 2e^– → مس⁰

2Al⁰ → آل³⁺ هر اتم آلومینیوم سه الکترون از دست می دهد که در ضریب 2: 2Al ضرب می شود.⁰ → آل³⁺ + 6e^–، یا 2Al → Al₂(بنابراین₄)₃ + 6e^–.

مرحله 5.

تعداد الکترون ها را متعادل کنید. نیمه واکنش کاهشی تنها 2 الکترون به دست می آورد، در حالی که نیمه واکنش اکسیداسیون در مجموع 6 الکترون از دست می دهد. بنابراین، نیمه‌واکنش کاهشی را در ضریب 3 ضرب می‌کنیم تا در هر دو نیمه واکنش، 6 الکترون به دست آوریم و آن را یکنواخت کنیم: 3Cu.²⁺ + 6e^– → 3Cu⁰. دوباره، با آوردن یون تماشاگر به داخل برای وضوح، می بینیم که 3CuSO₄ + 6e^– → 3Cu.

مرحله 6.

نیمه واکنش ها را با هم ترکیب کنید. بنابراین واکنش کامل تبدیل به: 2Al + 3CuSO می شود₄ + 6e^– → آل₂(SO4)₃ + 3Cu + 6e^–، یا فقط 2Al + 3CuSO₄ → آل₂(SO4)₃ + 3 مس.

تعادل واکنش های ردوکس: شرایط اسیدی یا بازی

هنگام متعادل کردن یک واکنش ردوکس در زیر شرایط اسیدی یا بازی، همان مراحلی که در بالا ذکر شد را با یک اخطار مهم دنبال کنید.

در شرایط اسیدی، اتم ها اغلب به حالت تعادل نمی رسند، بنابراین باید H را اضافه کنید₂O برای متعادل کردن اکسیژن اضافی و سپس H⁺ برای متعادل کردن هیدروژن اضافی این به این دلیل است که هر دو H₂O و H⁺ در شرایط اسیدی یافت می شوند، بنابراین در واکنش حضور خواهند داشت، بنابراین می توانید به تعداد مورد نیاز اضافه کنید. تا این حد، باید مطمئن شوید که بارهای خود را در طرف‌های واکنش‌دهنده و محصولات پیگیری کنید، زیرا شارژ خالص باید حفظ شود (این امر به ویژه در هنگام متعادل کردن نیمه‌واکنش‌ها مهم است). اگر H را اضافه کنید⁺ بار اضافی ایجاد می کند، می توانید در صورت لزوم با افزودن الکترون آن را جبران کنید. با این حال، در پایان، الکترون ها همچنان باید در هر دو طرف معادله ردوکس کامل، همانطور که در مرحله 5 در بالا توضیح داده شد، خنثی شوند.

متعادل کردن یک واکنش ردوکس در شرایط اولیه بسیار شبیه به روشی است که در بالا توضیح داده شد، اما با استفاده از OH^– به جای اچ⁺.

بیشتر خواندن