15.3 – Afbalancering af redoxreaktioner med halvreaktioner


Afbalancering af redoxreaktioner med halvreaktioner

Ved halvreaktionsmetoden for afbalancering af redoxreaktioner, skrives en oxidations-reduktionsreaktion, som to halvreaktioner Når hver halvreaktion afstemmes i forhold til atomer og ladninger, bliver det meget klart hvilken halvreaktion der er oxidation og hvilken der er reduktion. Når først tabet og optagelsen af elektroner er det samme i halvreaktionerne, kan de kombineres til den samlede afbalancerede reaktionsligning. Halvreaktionsmetoden anvendes typisk til at afbalancere reaktionsligninger der opstilles som ionreaktionsligninger. Lad os se på reaktionen mellem aluminiummetal og en opløsning af Cu2+ ionser, som vist i opgaveeksempel 15.3.

Opgaveeksempel 15.3

Brug af halvreaktioner til afbalancering

Anvend halvreaktioner til at afbalancere følgende reaktionsligning:

Al(s)+Cu(aq)2+Al(aq)3++Cu(s)

Løsning

Trin 1:
Opstil de to halvreaktioner for reaktionsligningen.

AlAl(aq)3+ Cu(aq)2+Cu(s)

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.

AlAl(aq)3+ Cu(aq)2+Cu(s)

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:

Al(s)ladning 0=Al(aq)3++3eladning 0     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:

Cu(aq)2++2eladning 0=Cu(s)ladning 0     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.

2×[Al(s)Al(aq)3++3e]
2Al(s)2Al(aq)3++6e     6 e tabt
3×[Cu(aq)2++2eCu(s)]
3Cu(aq)2++6e3Cu(s)]     6 e 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:

2Al(s)+3Cu(aq)2+2Al(aq)3++3Cu(s)

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

Reaktanter Produkter
2 Al = 2 Al
3 Cu = 6 Cu
Ladning: 6+ = 6+

Afbalancering af redoxreaktioner i sur opløsning

Når vi bruger halvreaktionsmetoden til afbalancering af reaktionsligninger for reaktioner i sure opløsninger, afbalancerer vi O ved at tilføje H2O, og afbalancerer H ved at tilføje H+, som vist i Opgaveeksempel 15.4.

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:

I(aq)+Cr2O7(aq)2I2(s)+Cr(aq)3+

Løsning

Trin 1:
Opstil de to halvreaktioner for reaktionsligningen.

I(aq)I2(s) Cr2O7(aq)2Cr(aq)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.

2I(aq)I2(s)

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

Cr2O7(aq)22Cr(aq)3+

Afbalancér nu O, ved at tilføje H2O til produktsiden.

Cr2O7(aq)22Cr(aq)3++7H2O(l)     H2O afbalancerer O

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

14H(aq)++Cr2O7(aq)22Cr(aq)3++7H2O(l)     H+ afbalancerer H

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

2I(aq)22=I2(s)+2e2     oxidation

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

6e+14H(aq)++Cr2O7(aq)2+62Cr(aq)3++7H2O(l)+6     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×[2I(aq)I2(s)+ 2e] 6I(aq)3I2(s)+6e     6 e tabt

6e+14H(aq)++Cr2O7(aq)22Cr(aq)3++7H2O(l)     6 e 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:

14H(aq)++Cr2O7(aq)2+6I(aq)2 Cr(aq)3++3I2(s)+7H2O(l)

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

Reaktanter Produkter
6 I = 6 I
2 Cr = 2 Cr
14 H = 14 H
7 O = 7 O
Ladning: 6+ = 6+

Afbalancering af redoxreaktioner i basisk opløsning

En redoxreaktion kan også foregå i en basisk opløsning. I sådan et tilfælde, bruger vi den samme halvreaktionsmetode, men når vi først har afbalanceret reaktionsligningen, neutraliserer vi H+ ionerne med OH ioner til dannelsen af vand. H+ ionerne neutraliseres ved at tilføje OH på begge sider af reaktionsligningen til dannelse af H2O, som vist i Opgaveeksempel 15.5.

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:

Fe(aq)2++MnO4(aq)Fe(aq)3++MnO2(s)

Løsning

Trin 1:
Opstil de to halvreaktioner for reaktionsligningen.

Fe(aq)2+Fe(aq)3+ MnO4(aq)MnO2(s)

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+.

Fe(aq)2+Fe(aq)3+ MnO4(aq)2+MnO2(s)+2H2O(l)     H2O afbalancerer O 4H(aq)++MnO(aq)2MnO2(s)+2 H2O(l)     H+ afbalancerer O

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

2Fe(aq)2++2=Fe(aq)3++1e2+     oxidation

3e+4H(aq)++MnO4(aq)0 ladning=MnO2(s)+2H2O(l)0 ladning     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×[Fe(aq)2+Fe(aq)3++1e] 3Fe(aq)2+3Fe(aq)3++3e     3 e tabt

3e+4H(aq)++MnO4(aq)MnO2(s)+2H2O(l)     3 e 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:

3Fe(aq)2++4H(aq)++MnO4(aq)3Fe(aq)3++MnO2(s)+2H2O(l)

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:

4H(aq)++4OH(aq)+3Fe(aq)2++MnO4(aq)3Fe(aq)3++MnO2(s)+2H2O(l)+4OH(aq)

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

4H2O(l)+3Fe(aq)2++MnO4(aq)3Fe(aq)3++MnO2(s)+2H2O(l)+4OH(aq)

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:

2H2O(l)+3Fe(aq)2++MnO4(aq)3Fe(aq)3++MnO2(s)+4OH(aq)

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

Reaktanter Produkter
3 Fe = 3 Fe
1 Mn = 1 Mn
4 H = 4 H
6 O = 6 O
Ladning: 5+ = 5+

15.4 – Elektrisk energi fra redoxreaktioner →