3.fejezet-31

3. fejezet
Reakcióegyenletek rendezése felsõfokon

3.1. Egy konvenció határain túl: rendezés szokatlan oxidációs számokkal

A 2.1. fejezetben az oxidációs szám meghatározásának szabályainál már láttuk, hogy sok esetben szerkezeti ismeretekre is szükségünk van egy-egy alkotó atom oxidációs számának megállapításához. Az érdekes azonban az, hogy amennyiben nincsenek meg ezek a szerkezetre vonatkozó ismereteink, akkor is rendezhetõvé válnak a redoxiegyenletek önkényes, de konzekvens oxidációs számok bevezetésével (1). Nézzük példaként a következõ egyszerû redoxiegyenletet (2)!

Cu + H₂SO₄ ---> CuSO₄ + SO₂ + H₂O

A konvencionális megoldás

A H oxidációs száma vegyületeiben +1, az O oxidációs száma -2, a Cu oxidációs száma elemi állapotban 0, vegyületében +2 (minthogy tudjuk, hogy a rész-szulfát ionos vegyület és benne Cu²⁺-ionok vannak). Ebbõl következik, hogy a S oxidációs száma a kénsavban és a rézszulfátban +6, a kén-dioxidban +4, azaz

ha H = +1, O = -2, Cu = 0 és +2
akkor S = +4 és +6,

az oxidációs részfolyamat:
Cu⁰ ---> Cu⁺² + 2 e^-

a redukciós részfolyamat:
S⁺⁶ ---> S⁺⁴ - 2 e^-

Az oxidációs-redukciós részfolyamatok alapján három sztöchiometriai együtthatóhoz jutunk:

1 Cu + H₂SO₄ ---> 1 CuSO₄ + 1 SO₂ + H₂O

Az egyenletrendezést az anyagmérleg alapján, a láncszabály szerint kell befejeznünk.

Nem konvencionális megoldások

- Mi történik akkor, ha semmit sem tudunk a réz-szulfát szerkezetérõl, s így a Cu oxidációs számát a CuSO₄-ban önkényesen 0-nak vesszük? Ekkor a S oxidációs száma a réz-szulfátban +8 lesz, azaz

ha O = -2, H = +1, Cu = 0,
akkor S = +4, +6 és +8,

az oxidációs részfolyamat:
S⁺⁶ ---> S⁺⁸ + 2 e^-

a redukciós részfolyamat:
S⁺⁶ ---> S⁺⁴ - 2 e^-

A folyamat tehát a kénre nézve egy diszproporcionálódás. Az oxidációs-redukciós részreakciókból most csak két együttható következik:

Cu + H₂SO₄ ---> 1 CuSO₄ + 1 SO₂ + H₂O

Az egyenletrendezést az anyagmérleg alapján, a láncszabály szerint kell befejeznünk.

A teljesség kedvéért nézzük meg, hogy milyen egyéb lehetõségünk van az "oxidációs számok kiosztására"?

- A S oxidációs száma legyen valamennyi vegyületében +6, azaz

ha H = +1, S = +6, Cu = 0 és +2,
akkor O = -2 és -3,

az oxidációs részfolyamat:
Cu⁰ ---> Cu⁺² + 2 e^-

a redukciós részfolyamat:
2 O^-2 ---> 2 O^-3 - 2 e^-

Az oxidációs-redukciós részfolyamatok alapján három együtthatót kapunk:

1 Cu + H₂SO₄ ---> 1 CuSO₄ + 1 SO₂ + H₂O

Az egyenletrendezést az anyagmérleg alapján, a láncszabály szerint kell befejeznünk.

- Mi történik akkor, ha megengedjük, hogy a folyamatban a H oxidációs száma is változzék? Azaz

ha O = -2, S = +4,
akkor H = +1 és +2, Cu = 0 és +4,

az oxidációs részfolyamat:
Cu⁰ ---> Cu⁺⁴ + 4 e^-

a redukciós részfolyamat:
4 H⁺² ---> 4 H⁺¹ - 4 e^-

Az oxidációs-redukciós részfolyamatok alapján így négy együtthatót kapunk:

1 Cu + 2 H₂SO₄ ---> 1 CuSO₄ + SO₂ + 2 H₂O

Az egyenletrendezést az anyagmérleg alapján, a láncszabály szerint kell befejeznünk.

- Végül nézzük meg azt az esetet, amikor a Cu oxidációs számát vegyületében +1-nek vesszük, azaz

ha H = +1, O = -2, Cu = 0 és +1,
akkor S = +4, +6 és +7,

az oxidációs részfolyamatok:
(Cu⁰ + S⁺⁶) ---> (Cu⁺¹ + S⁺⁷) + 2 e^-

a redukciós részfolyamat:
S⁺⁶ ---> S⁺⁴ - 2 e^-

Az oxidációs-redukciós részfolyamatokból most csak két együttható következik:

Cu + H₂SO₄ ---> 1 CuSO₄ + 1 SO₂ + H₂O

Az egyenletrendezést az anyagmérleg alapján, a láncszabály szerint kell befejeznünk.

Mire jó ez?

Az elõbbi példák is mutatják, hogy az egyenletrendezés nehézsége és az oxidációs-redukciós részfolyamatokból kapható sztöchiometriai együtthatók száma függ attól, hogy mely atomok oxidációs számának változását engedjük meg. Ennek tudatos felhasználásával könnyen rendezhetõvé válnak olyan redoxiegyenletek is, amelyek egyébként a szokásos oxidációs számokkal csak igen nehezen, az ún. részfolyamatokra bontás módszerével rendezhetõk. Példaként bemutatom a nemzetközi és a hazai szakirodalomban is sokat elemzett

P₄ + P₂I₄ + H₂O ---> PH₄I + H₃PO₄

reakcióegyenlet rendezését.

- A szokásos oxidációs számokkal kezdve a rendezést:

az oxidációs részfolyamatok:
P⁰ ---> P⁺⁵ + 5 e^-P⁺² ---> P⁺⁵ + 3 e^-

a redukciós részfolyamatok:
P⁰ ---> P^-3 - 3 e^-P⁺² ---> P^-3 - 5 e^-

Így tehát egy kettõs diszproporcionálódáshoz jutunk, s ennek rendezése nem egyszerû feladat (2-8).

- Mivel a problémát az okozza, hogy a P négy különbözõ oxidációs számmal fordul elõ az egyenletben, ezért ennek megszüntetésére tételezzük fel, hogy a P oxidációs száma valamennyi vegyületében annyi, mint a foszforsavban, azaz +5:

az oxidációs részfolyamat:
P⁰ ---> P⁺⁵ + 5 e^-

a redukciós részfolyamat:
I^-2,5 ---> I^-9 - 6,5 e^-

Ezzel az eljárással egy egyszerû redoxiegyenletté alakítottuk az elõbbi kettõs diszproporcionálódást. Az oxidációs-redukciós részfolyamatokból három együtthatót kapunk:

6,4/4 P₄ + 5/4 P₂I₄ + H₂O ---> 5 PH₄I + H₃PO₄

Az egyenletrendezést az anyagmérleg alapján befejezve, az együtthatókat egész számmá alakítva kapjuk a rendezett reakcióegyenletet:

13 P₄ + 10 P₂I₄ + 128 H₂O = 40 PH₄I + 32 H₃PO₄

Hangsúlyoznom kell, hogy a nem konvencionális oxidációs számokat és a velük való egyenletrendezést nem szabad tanítani középiskolában. Hasznos lenne viszont bemutatni a felsõfokú oktatásban résztvevõ hallgatóknak, hogy megértsék, a szokásos oxidációs számok egy konvenció termékei, és a redoxiegyenleteket egy másik konvenció alapján is lehet rendezni.

Irodalom

1. Ludwig, O.G.: J.Chem.Educ., 73 (1996) 507.
2. Tóth, Z.: A kémia tanítása, 5 (1997) 3.
3. Tóth Z.: Módszerek és eljárások, 9., KLTE Kémia Szakmódszertani Részleg, Debrecen, 1996. 128.
4. Carrano, S.A.: J.Chem.Educ., 55 (1978) 382.
5. Kolb, D.: J.Chem.Educ., 56 (1979) 181.
6. Soltész, Gy.: Középiskolai Kémiai Lapok, 19 (1992) 12.
7. Tóth, Z.: A kémia tanítása, 2 (1994) 8.
8. Cardinali, M.E., Giomini, C., Marrosu, G.: J.Chem.Educ., 72 (1995) 716.
9. Cardinali, M.E., Giomini, C., Marrosu, G.: Educ.Chem., 1996, 51.

Tovább: 3.2. Egyenletrendezés számítógéppel

Vissza a tartalomjegyzékhez

Vissza az Elôadóba