15.3 – Afbalancering af redoxreaktioner med halvreaktioner

Opgaveeksempel 15.3

Brug af halvreaktioner til afbalancering

Anvend halvreaktioner til at afbalancere følgende reaktionsligning:

${\mathrm{Al}}_{\left(\mathrm{s}\right)}+{\mathrm{Cu}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}\to {\mathrm{Al}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+{\mathrm{Cu}}_{\left(\mathrm{s}\right)}$

Løsning

Trin 1:
Opstil de to halvreaktioner for reaktionsligningen.

$\mathrm{Al}\to {\mathrm{Al}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}$ ${\mathrm{Cu}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}\to {\mathrm{Cu}}_{\left(\mathrm{s}\right)}$

Trin 2:
For hver halvreaktion, afbalancér alle grundstoffer, med undtagelse af H og O. Hvis det er nødvendigt, afbalancér O ved tilføjelse af H₂O og H ved tilføjelse af H⁺.I disse halvreaktioner, er Al og Cu allerede afbalanceret.

$\mathrm{Al}\to {\mathrm{Al}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}$ ${\mathrm{Cu}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}\to {\mathrm{Cu}}_{\left(\mathrm{s}\right)}$

Trin 3:
Afbalancer hver halvreaktion for ladning, ved at tilføje elektroner. For aluminiums halvreaktion, er det nødvendigt at tilføje 3 elektroner på produktsiden, for at afbalancere ladningen. Med et tab af elektroner, er dette en oxidation:

$\underset{\mathrm{ladning} 0}{\underbrace{{\mathrm{Al}}_{\left(\mathrm{s}\right)}}}\underset{\underset{=}{}}{\to }\underset{\mathrm{ladning} 0}{\underbrace{{\mathrm{Al}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+3e^{–}}} \mathrm{oxidation}$

For Cu²⁺ halvreaktionen, er det nødvendigt at tilføje 2 elektroner på reaktantsiden, for at afbalancere ladningen. Ved en optagelse af elektroner, er dette en reduktion:

$\underset{\mathrm{ladning} 0}{\underbrace{{\mathrm{Cu}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{–}}}\underset{\underset{=}{}}{\to }\underset{\mathrm{ladning} 0}{\underbrace{\mathrm{Cu}\left(\mathrm{s}\right)}} \mathrm{reduktion}$

Trin 4:
Gang hver halvreaktion med faktorer som får elektrontabet og –optagelsen til at være lige store.For at opnå samme antal elektroner i hver halvreaktion, gang oxidationshalvreaktionen med 2 og reduktionshalvreaktionen med 3.

Trin 5:
Læg halvreaktionerne sammen og udlign elektronerne, samt alle identiske ioner eller molekyler. Tjek at antallet af atomer og ladninger stemmer overens.

Endelig afbalanceret reaktionsligning:

$2{\mathrm{Al}}_{\left(\mathrm{s}\right)}+3{\mathrm{Cu}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}\to 2{\mathrm{Al}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+3{\mathrm{Cu}}_{\left(\mathrm{s}\right)}$

Check om antal atomer og ladninger stemmer overens på begge sider af reaktionspilen.

Opgaveeksempel 15.4

Brug af halvreaktioner til afbalancering i sur opløsning

Brug halvreaktioner til at afbalancere følgende reaktionsligning for en reaktion som finder sted i en sur opløsning:

${\mathrm{I}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}+{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{7\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}\to {\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+{\mathrm{Cr}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}$

Løsning

Trin 1:
Opstil de to halvreaktioner for reaktionsligningen.

${\mathrm{I}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to {\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}$ ${\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{7\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}\to {\mathrm{Cr}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}$

Trin 2:
For hver halvreaktion, afbalancér alle grundstoffer, med undtagelse af H og O. Hvis det er nødvendigt, afbalancer O ved at tilføje H₂O, og H ved at tilføje H⁺.

De to I atomer i I₂, afbalanceres med en koefficient på 2 foran I^–.

$2{\mathrm{I}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to {\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}$

De to Cr atomer, afbalanceres med en koefficient på 2 foran Cr³⁺.

${\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{7\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}\to 2{\mathrm{Cr}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}$

Afbalancér nu O, ved at tilføje H₂O til produktsiden.

${\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{7\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}\to 2{\mathrm{Cr}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+\mathbf{7}{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{ }{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \mathrm{afbalancerer} \mathrm{O}$

Afbalancér nu H, ved at tilføje H⁺ på reaktantsiden.

$\mathbf{14}{\mathbf{H}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{\mathbf{+}}+{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{7\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}\to 2{\mathrm{Cr}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+7{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)} {\mathrm{H}}^{+} \mathrm{afbalancerer} \mathrm{H}$

Trin 3:
Afbalancer hver halvreaktion i forhold til ladning, ved at tilføje elektroner. En ladning på -2 afbalanceres med 2 elektroner på produktsiden:

$\underset{–2}{\underbrace{2{\mathrm{I}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}}}\underset{\underset{=}{}}{\to }\underset{–2}{\underbrace{{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+\mathbf{2}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}}}} \mathrm{oxidation}$

En ladning på +6, afbalanceres på reaktantsiden, ved at tilføje 6 elektroner:

$\underset{+6}{\underbrace{\mathbf{6}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}}+14{\mathrm{H}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{+}+{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{7\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}}}\to \underset{+6}{\underbrace{2{\mathrm{Cr}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+7{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}}} \mathrm{reduktion}$

Trin 4:
Gang hver halvreaktion med faktorer som får elektrontabet og –optagelsen til at være lige store.Halvreaktionen med I ganges med 3 for at udligne optagelsen af de 6 elektroner fra Cr halvreaktionen.

$3\times [2{\mathrm{I}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to {\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+ \mathbf{2}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}}]$ $6{\mathrm{I}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to 3{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+\mathbf{6}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}} 6 e^{–} \mathrm{tabt}$

$\mathbf{6}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}}+14{\mathrm{H}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{+}+{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{7\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}\to 2{\mathrm{Cr}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+7{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)} 6\mathbf{ }{\mathit{e}}^{–} \mathrm{optaget}$

Trin 5:
Læg halvreaktionerne sammen og udlign elektronerne, samt alle identiske ioner eller molekyler. Tjek at antallet af atomer og ladninger stemmer overens.

Endelig afbalanceret reaktionsligning:

$14{\mathrm{H}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{+}+{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{7\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}+6{\mathrm{I}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to 2 {\mathrm{Cr}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+3{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+7{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}$

Check om antal atomer og ladninger stemmer overens på begge sider af reaktionspilen.

Opgaveeksempel 15.5

Brug af halvreaktioner til afbalancering i basisk opløsning

Brug halvreaktioner til at afbalancere følgende reaktionsligning for en reaktion som finder sted i en sur opløsning:

${\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}+{\mathrm{MnO}}_{4\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to {\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+{\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}$

Løsning

Trin 1:
Opstil de to halvreaktioner for reaktionsligningen.

${\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}\to {\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}$ ${\mathrm{MnO}}_{4\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to {\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}$

Trin 2:
For hver halvreaktion, afbalancér alle grundstoffer, med undtagelse af H og O. Hvis det er nødvendigt, afbalancer O ved at tilføje H₂O, og H ved at tilføje H⁺.

${\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}\to {\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}$ ${\mathrm{MnO}}_{4\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}\to {\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+\mathbf{2}{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)} {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \mathrm{afbalancerer} \mathrm{O}$ $\mathbf{4}{\mathbf{H}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{\mathbf{+}}+{\mathrm{MnO}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2–}\to {\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+\mathbf{2}\mathbf{ }{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)} {\mathrm{H}}^{+} \mathrm{afbalancerer} \mathrm{O}$

Trin 3:
Afbalancer hver halvreaktion i forhold til ladning, ved at tilføje elektroner.

$\underset{+2}{\underbrace{2{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}}}\underset{\underset{=}{}}{\to }\underset{2+}{\underbrace{{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+\mathbf{1}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}}}} \mathrm{oxidation}$

$\underset{0 \mathrm{ladning}}{\underbrace{\mathbf{3}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}}+4{\mathrm{H}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{+}+{\mathrm{MnO}}_{4\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}}}\underset{\underset{=}{}}{\to }\underset{0 \mathrm{ladning}}{\underbrace{{\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}}} \mathrm{reduktion}$

Trin 4:
Gang hver halvreaktion med faktorer som får elektrontabet og –optagelsen til at være lige store. Halvreaktionen med Fe, ganges med 3, for at udligne optagelsen af de tre elektroner hos Mn:

$3\times [{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}\to {\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+\mathbf{1}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}}]$ $3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}\to 3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+\mathbf{3}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}} 3 {\mathit{e}}^{–} \mathrm{tabt}$

$\mathbf{3}{\mathit{e}}^{\mathbf{–}}+4{\mathrm{H}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{+}+{\mathrm{MnO}}_{4\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to {\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)} 3 {\mathit{e}}^{\mathbf{–}} \mathrm{optaget}$

Trin 5:
Læg halvreaktionerne sammen og udlign elektronerne, samt alle identiske ioner eller molekyler. Tjek at antallet af atomer og ladninger stemmer overens.

Endelig afbalanceret reaktionsligning:

$3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}+4{\mathrm{H}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{+}+{\mathrm{MnO}}_{4\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to 3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+{\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}$

For at omdanne reaktionsligningen til en redoxreaktion i basisk opløsning, neutraliserer vi H⁺ med OH^– til dannelse af H₂O. I denne reaktion, skal vi derfor tilføje 4 OH^–_(aq) på begge sider af reaktionsligningen:

$4{\mathrm{H}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{+}+\mathbf{4}{\mathbf{OH}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}^{\mathbf{–}}+3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}+{\mathrm{MnO}}_{4\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to 3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+{\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}+\mathbf{4}{\mathbf{OH}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}^{\mathbf{–}}$

Kombinering af 4 H⁺ og 4 OH^– giver 4 H₂O på reaktantsiden:

$4{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}+3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}+{\mathrm{MnO}}_{4\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to 3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+{\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}+\mathbf{4}{\mathbf{OH}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}^{\mathbf{–}}$

Ved udligning af 2 H₂O på både reaktantsiden og produktsiden, vil give den afbalancerede reaktionsligning i en basisk opløsning.

Endelig afbalanceret reaktionsligning i basisk opløsning:

$2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}+3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}+{\mathrm{MnO}}_{4\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}\to 3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+{\mathrm{MnO}}_{2\left(\mathrm{s}\right)}+4{\mathrm{OH}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{–}$

Check om antal atomer og ladninger stemmer overens på begge sider af reaktionspilen.