W probówce 3. zachodzi reakcja- Zadanie 21: Chemia. Zakres rozszerzony. Arkusze maturalne

Rozwiązanie

Równanie procesu utleniania:
$C X_{5} H X_{5} C - III H X_{3} + 2 H X_{2} O C X_{6} H X_{5} C + III OOH + 6 e X^{-} + 6 H X^{+}$

Równanie procesu redukcji:
$Mn + VII O X_{4} X^{-} + 5 e X^{-} + 8 H X^{+} Mn + II X^{2 +} + 4 H X_{2} O$

Sumaryczne równanie reakcji:
$5 C X_{6} H X_{5} CH X_{3} + 6 MnO X_{4} X^{-} + 18 H X^{+} 5 C X_{6} H X_{5} COOH + 6 Mn X^{2 +} + 14 H X_{2} O$

Wyjaśnienie:

Redukcja to zmniejszenie stopnia utlenienia danego pierwiastka poprzez przyjęcie przez niego elektronów. Utlenianie to proces w, którym stopień utlenienia pierwiastka wzrasta poprzez oddanie przez niego elektronów.

Stopień utlenienia atomu, określa się jako jego ładunek, przy założeniu, że wszystkie wiązania w cząsteczce są jonowe. Elektrony z wiązania "przyjmuje" pierwiastek o wyższej elektroujemności. Oznacza to, że jest to różnica elektronów walencyjnych danego pierwiastka w stanie podstawowym oraz elektronów walencyjnych znajdujących się wokół niego po "przyjęciu" lub "oddaniu" elektronów w wyniku tworzenia teoretycznych wiązań jonowych.

Pierwiastki w stanie wolnym mają stopień utlenienia równy 0 (niezależnie czy jest to wolny atom, czy cząsteczka, np.: stopień utlenienia chloru w Cl₂ wynosi 0).Suma stopni utlenienia atomów w cząsteczce obojętnej również musi wynosić 0.

Jon prosty ma stopień utleniania równy ładunkowi, dlatego mangan w jonie Mn²⁺ ma +II stopień utlenienia.

Stopnie utlenienia pierwiastków w jonie złożonym są równe jego ładunkowi. Pamiętając, że stopień utlenienia tlenu wynosi najczęściej -II, łatwo możemy obliczyć stopień utlenienia manganu w jonie MnO₄^-, oznaczmy go jako x:

$x + 4 \cdot (- II) = - I$

$x + V III = - I$

$x = + V II$

Znając stopnie utlenienia atomu, który ulega redukcji określamy liczbę elektronów jaką przyjmuje w wyniku reakcji (mangan przyjmuje 5 elektronów, bo przechodzi z +VII na +II stopień utlenienia) i za pomocą jonów takich jak H⁺, OH^- oraz cząsteczek wody bilansujemy równanie reakcji połówkowej:

$Mn + VII O X_{4} X^{-} + 5 e X^{-} + 8 H X^{+} Mn + II X^{2 +} + 4 H X_{2} O$

Prostym sposobem na znalezienie stopnia utlenienia atomu węgla w związkach organicznych jest zapamiętanie poniższych zasad:

Wiązanie z innym atomem węgla (pojedyncze lub wielokrotne) nie zmienia stopnia utlenienia węgla
Wiązanie z wodorem zmniejsza stopień utlenienia węgla o I (węgiel ma większą elektroujemność)
Każde wiązanie z tlenem zwiększa elektroujemność atomu węgla o I (tlen ma większą elektroujemność).

W cząsteczce toluenu atom węgla z grupy metylowej łączy się z jednym atomem węgla (0) oraz z trzema atomami wodoru(-III). Daje nam to stopień utlenienia równy -III. W cząsteczce kwasu benzoesowego, atom węgla z grupy karboksylowej łączy się z jednym atomem węgla (0) oraz z dwoma atomami tlenu wyprowadzając łącznie 3 wiązania do atomów tlenów(+III). Jest on więc na +III stopniu utlenienia. Ten atom węgla utleniając się oddaje 6 elektronów. Następnie bilansujemy równanie połówkowe za pomocą jonów takich jak H⁺, OH^- oraz cząsteczek wody:

Powyższą reakcję możemy zapisać sumarycznie:

$C X_{5} H X_{5} C - III H X_{3} + 2 H X_{2} O C X_{6} H X_{5} C + III OOH + 6 e X^{-} + 6 H X^{+}$

Następnie należy zbilansować liczbę elektronów przyjmowanych i oddawanych w wyniku reakcji redoks. Aby to zrobić szukamy najmniejszej wspólnej wielokrotności liczby elektronów z obu równań (w tym równaniu 5⋅6=30) i przemnażamy odpowiednie równania połówkowe stronami. W tym wypadku równanie reakcji redukcji przez 6 a równanie reakcji utleniania przez 5:

$6 MnO X_{4} X^{-} + 30 e X^{-} + 48 H X^{+} 6 Mn X^{2 +} + 24 H X_{2} O$

$5 C X_{5} H X_{5} CH X_{3} + 10 H X_{2} O 5 C X_{6} H X_{5} COOH + 30 e X^{-} + 30 H X^{+}$

Sumujemy stronami oba równania połówkowe:

$6 MnO X_{4} X^{-} + 30 e X^{-} + 48 H X^{+} + 5 C X_{5} H X_{5} CH X_{3} + 10 H X_{2} O 5 C X_{6} H X_{5} COOH + 30 e X^{-} + 30 H X^{+} + 6 Mn X^{2 +} + 24 H X_{2} O$

Skracamy stronami te same cząsteczki i jony, występujące w tych samych ilościach oraz skracamy elektrony i otrzymujemy równanie sumaryczne reakcji:

$6 MnO X_{4} X^{-} + 5 C X_{5} H X_{5} CH X_{3} + 18 H X^{+} 5 C X_{6} H X_{5} COOH + 6 Mn X^{2 +} + 14 H X_{2} O$

Kamil Kwiatkowski

Nauczyciel chemii

Tutaj pojawi się lista Twoich książek

Zaloguj się i zacznij tworzyć ją już teraz.