Chem do MaturyDziałyMapy myśli

Stopnie utlenienia i bilans elektronowy – zadania maturalne z chemii

9
zadań
21
poleceń
10
poleceń otwartych z oceną
1
lekcji interaktywnych

Stopnie utlenienia i bilans elektronowy

Barwienie płomienia przez kationy metali — Li⁺ · Na⁺ · K⁺ · Cu²⁺
Barwienie płomienia przez kationy metali — Li⁺ · Na⁺ · K⁺ · Cu²⁺

### Stopnie utlenienia Stopień utlenienia to pojęcie umowne, oznaczające hipotetyczny ładunek, jaki miałby atom, gdyby dany związek był zbudowany z jonów. Reguły wyznaczania: * Stopień utlenienia pierwiastków w stanie wolnym (np. Cl₂, Fe) wynosi 0. * Suma stopni utlenienia w cząsteczce obojętnej wynosi 0, a w jonie wieloatomowym równa się ładunkowi tego jonu. * Fluor we wszystkich związkach ma stopień utlenienia -I. * Tlen najczęściej przyjmuje stopień -II (wyjątki to np. nadtlenki: -I, OF₂: +II). * Wodór zwykle przyjmuje stopień +I (wyjątki to wodorki metali, np. NaH: -I). ### Utleniacz i reduktor Procesy redoks polegają na wymianie elektronów między drobinami: * **Utlenianie** to oddawanie elektronów (wzrost stopnia utlenienia). * **Redukcja** to pobieranie elektronów (spadek stopnia utlenienia). Drobina oddająca elektrony to **reduktor** (sama się utlenia). Drobina pobierająca elektrony to **utleniacz** (sama się redukuje). Ważne, by pamiętać tę zasadę „na krzyż”. ### Bilansowanie równań metodą jonowo-elektronową W chemii wodnych roztworów równania najczęściej bilansuje się metodą jonowo-elektronową. Trzeba uwzględnić środowisko reakcji: 1. **Środowisko kwasowe**: Do bilansowania atomów O i H używamy jonów H⁺ oraz cząsteczek H₂O. 2. **Środowisko zasadowe**: Używamy jonów OH⁻ oraz cząsteczek H₂O. *Przykład w środowisku kwasowym: Reakcja Fe²⁺ z MnO₄⁻* **Krok 1: Wypisujemy półreakcje (szkielety)** * Utlenianie: Fe²⁺ → Fe³⁺ * Redukcja: MnO₄⁻ → Mn²⁺ **Krok 2: Bilansujemy atomy w redukcji** Po lewej mamy 4 atomy tlenu. Zatem po prawej dopisujemy 4H₂O: MnO₄⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O Teraz brakuje wodoru po lewej (jest 8 z wody), dodajemy 8H⁺: MnO₄⁻ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O **Krok 3: Bilansujemy elektrony (ładunki)** * Fe: +2 z lewej, +3 z prawej. Zatem oddaje 1 elektron: Fe²⁺ → Fe³⁺ + 1e⁻ * Mn: Lewa strona to (-1) + (+8) = +7. Prawa to +2. Przejście z +7 na +2 wymaga 5 elektronów: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O **Krok 4: Uzgadniamy liczbę elektronów** Mnożymy półreakcję utleniania przez 5, aby zrównać oddane i pobrane elektrony: 5Fe²⁺ → 5Fe³⁺ + 5e⁻ **Krok 5: Sumujemy stronami** MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O Gotowe! Ładunek po lewej to (-1 + 10 + 8) = +17. Po prawej (+2 + 15) = +17. Wszystko się zgadza.

Zapamiętaj

  • Utleniacz pobiera elektrony (zmniejsza swój stopień utlenienia).
  • Reduktor oddaje elektrony (zwiększa swój stopień utlenienia).
  • Bilans jonowo-elektronowy wymaga uwzględnienia środowiska: jony H+ w środowisku kwasowym, jony OH- w zasadowym.
  • Liczba oddanych elektronów w procesie utleniania musi być równa liczbie pobranych elektronów w procesie redukcji.

Typowe błędy

  • Mylenie utleniacza z utlenianiem: Utleniacz powoduje utlenianie innych, a sam ULEGA REDUKCJI.
  • Dodawanie jonów H+ w celu zbilansowania wodoru dla reakcji przebiegającej w silnie zasadowym środowisku (lub OH- w kwasowym).
  • Błędne określanie stopnia utlenienia tlenu w nadtlenkach (często uczeń automatycznie wpisuje -II zamiast -I).
  • Ignorowanie bilansu ładunków w równaniach jonowych – liczba atomów po obu stronach to za mało, musi zgadzać się też całkowity ładunek.

Wymagania podstawy programowej

  • VIII.1.1 Określa stopnie utlenienia pierwiastków; wskazuje utleniacz, reduktor, proces utleniania i redukcji.
  • VIII.1.2 Dobiera współczynniki w równaniach redoks metodą bilansu elektronowego, także w formie jonowej (środowisko kwasowe i zasadowe).

Przykładowe zadania

Zadanie 1

Do probówki z fioletowym roztworem manganianu(VII) potasu zakwaszonym kwasem siarkowym(VI) dodawano kroplami bezbarwny roztwór azotanu(III) potasu aż do całkowitego odbarwienia zawartości probówki.

  1. 1.1 Napisz w formie jonowej z uwzględnieniem oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy) równania procesów redukcji i utleniania zachodzących podczas opisanego doświadczenia. Następnie napisz sumaryczne równanie reakcji w formie jonowej skróconej. (2 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: Równanie redukcji: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O Równanie utleniania: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ Równanie sumaryczne: 2MnO₄⁻ + 5NO₂⁻ + 6H⁺ → 2Mn²⁺ + 5NO₃⁻ + 3H₂O

    Mangan w środowisku kwasowym redukuje się ze stopnia utlenienia +VII do +II. Azot(III) utlenia się do azotu(V). Należy zbilansować atomy tlenu za pomocą cząsteczek wody, a atomy wodoru za pomocą jonów H⁺.

  2. 1.2 W opisanej reakcji rolę reduktora pełni jon ___. (1 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: NO₂⁻

    Reduktor to drobina, która ulega utlenieniu (oddaje elektrony). W tej reakcji jon azotanowy(III) utlenia się do jonu azotanowego(V).

  3. 1.3 Rozstrzygnij, czy poniższe zdania dotyczące opisanego doświadczenia są prawdziwe, czy fałszywe. (1 pkt)

    • 1. Jon MnO₄⁻ pełni funkcję utleniacza i ulega utlenianiu. (P/F)
    • 2. Kwas siarkowy(VI) pełni w opisanej reakcji rolę środowiska i nie zmienia stopni utlenienia żadnego ze swoich pierwiastków. (P/F)
    • 3. Jeden mol jonów MnO₄⁻ w tej reakcji przyjmuje 5 moli elektronów. (P/F)
    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: 1 – F, 2 – P, 3 – P

    Kwas siarkowy(VI) tworzy środowisko reakcji, nie bierze udziału w wymianie elektronów. Mangan ulega redukcji z +VII na +II.

Zadanie 2

Gazowy chlor przepuszczono przez gorący (o temperaturze ok. 80 °C) stężony roztwór wodorotlenku sodu. W wyniku przebiegającego procesu powstała mieszanina dwóch soli: chlorku sodu oraz chloranu(V) sodu.

  1. 2.1 Wybierz poprawne określenie typu reakcji, która zaszła w opisanym doświadczeniu. (1 pkt)

    • A. Reakcja dysproporcjonowania (dysmutacji)
    • B. Reakcja komproporcjonowania (synproporcjonowania)
    • C. Reakcja wymiany podwójnej
    • D. Reakcja analizy
    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: A. Reakcja dysproporcjonowania (dysmutacji)

    Chlor jako pierwiastek w stanie wolnym (stopień utlenienia 0) ulega jednocześnie utlenieniu do +V oraz redukcji do -I. Taki proces nazywamy dysproporcjonowaniem (dysmutacją).

  2. 2.2 Napisz równania połówkowe procesów utleniania i redukcji zachodzących w opisanym środowisku, a następnie podaj sumaryczne równanie tej reakcji w formie jonowej skróconej. (2 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: Równanie redukcji: Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻ | × 5 Równanie utleniania: Cl₂ + 12OH⁻ → 2ClO₃⁻ + 6H₂O + 10e⁻ | × 1 Równanie sumaryczne: 3Cl₂ + 6OH⁻ → 5Cl⁻ + ClO₃⁻ + 3H₂O

    W środowisku zasadowym bilans jonowo-elektronowy wymaga użycia jonów OH⁻ i wody. Reakcja dysmutacji chloru prowadzi do powstania jonów Cl⁻ (redukcja) i ClO₃⁻ (utlenianie).

Ćwicz ten dział z oceną – PremiumZałóż darmowe konto

Inne tematy z tego działu