שיטת חצי תגובה: אלגוריתם

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 05:26

תהליכים כימיים רבים מתרחשים עם שינוי במצבי החמצון של האטומים היוצרים את התרכובות המגיבות. כתיבת משוואות לתגובות מסוג חיזור מלווה לרוב בקושי בסידור המקדמים מול כל נוסחה של חומרים. למטרות אלו פותחו טכניקות הקשורות לאיזון האלקטרוני או האלקטרון-יון של חלוקת המטען. המאמר מתאר בפירוט את הדרך השנייה לכתיבת משוואות.

שיטת תגובה למחצה, ישות

זה נקרא גם מאזן האלקטרון-יון של התפלגות גורמי המקדם. השיטה מבוססת על החלפה של חלקיקים בעלי מטען שלילי בין אניונים או קטיונים במדיה מומסת עם ערכי pH שונים.

בתגובות של אלקטרוליטים מהסוג המחמצן והמפחית מעורבים יונים בעלי מטען שלילי או חיובי. משוואות מולקולריות-יוניותטיפוסים, המבוססים על השיטה של תגובות למחצה, מוכיחים בבירור את המהות של כל תהליך.

כדי ליצור איזון, ייעוד מיוחד של אלקטרוליטים של קישור חזק משמש כחלקיקים יוניים, ותרכובות חלשות, גזים ומשקעים בצורה של מולקולות לא מפורקות. כחלק מהסכימה, יש צורך לציין את החלקיקים שבהם משתנה מידת החמצון שלהם. לקביעת המדיום הממס במאזן, חומצי (H⁺), בסיסי (OH^-) ונייטרלי (H_{2O) תנאים.}

למה זה משמש?

ב-OVR, שיטת חצי התגובה מכוונת לכתיבת משוואות יוניות בנפרד עבור תהליכי חמצון והפחתה. היתרה הסופית תהיה הסיכום שלהם.

צעדי ביצוע

לשיטת חצי התגובה יש מאפיינים משלה של כתיבה. האלגוריתם כולל את השלבים הבאים:

- הצעד הראשון הוא לרשום את הנוסחאות של כל המגיבים. לדוגמה:

H₂S + KMnO₄ + HCl

- אז אתה צריך לקבוע את הפונקציה, מנקודת מבט כימית, של כל תהליך מרכיב. בתגובה זו, KMnO₄ פועל כחומר מחמצן, H₂S הוא חומר מפחית, ו-HCl מגדיר סביבה חומצית.

- השלב השלישי הוא לרשום משורה חדשה את הנוסחאות של תרכובות מגיבות יוניות בעלות פוטנציאל אלקטרוליט חזק, שלאטומים שלהן יש שינוי במצבי החמצון. באינטראקציה זו, MnO₄^- פועל כחומר מחמצן, H₂S הואמגיב מפחית, ו-H⁺ או קטיון אוקסוניום H₃O⁺ קובע את הסביבה החומצית. תרכובות אלקטרוליטיות גזיות, מוצקות או חלשות מתבטאות בנוסחאות מולקולריות שלמות.

כדי לדעת את הרכיבים הראשוניים, נסה לקבוע אילו ריאגנטים מחמצנים ומפחיתים יהיו בעלי צורות מופחתות ומחומצנות, בהתאמה. לפעמים החומרים הסופיים כבר נקבעים בתנאים, מה שמקל על העבודה. המשוואות הבאות מציינות את המעבר של H₂S (מימן גופרתי) ל-S (גופרית), והאניון MnO₄ ^{-ל-Mn cation}2+.

כדי לאזן את החלקיקים האטומיים בחלק השמאלי והימני, מוסיפים למדיום החומצי קטיון מימן H⁺ או מים מולקולריים. יוני הידרוקסיד OH^- או H₂O.

מתווספים לתמיסה הבסיסית

MnO₄^-→ Mn²⁺

בתמיסה, אטום חמצן מיוני מנגנט יחד עם H⁺ יוצרים מולקולות מים. כדי להשוות את מספר האלמנטים, המשוואה נכתבת באופן הבא: 2^{O + Mn}2+.

אז מבוצע איזון חשמלי. כדי לעשות זאת, שקול את הסכום הכולל של החיובים בחלק השמאלי, מסתבר +7, ואז בצד ימין, מתברר +2. כדי לאזן את התהליך, מוסיפים חמישה חלקיקים שליליים לחומרי המוצא: 8H⁺ + MnO₄^-+ 5e ^- → 4H₂O + Mn²⁺. זה מביא לחצי תגובת הפחתה.

כעת מתבצע תהליך החמצון כדי להשוות את מספר האטומים. בשביל זה, בצד ימיןהוסף קטיוני מימן: H₂S → 2H⁺ + S.

לאחר השוואת החיובים: H₂S -2e^- → 2H⁺ + S. ניתן לראות ששני חלקיקים שליליים נלקחים מהתרכובות ההתחלתיות. מסתבר שחצי התגובה של תהליך החמצון.

כתוב את שתי המשוואות בעמודה והשוות את המטענים הנתונים והמתקבלים. לפי הכלל לקביעת הכפולות הקטנות ביותר, נבחר מכפיל לכל חצי תגובה. משוואת החמצון וההפחתה מוכפלת בה.

כעת אתה יכול להוסיף את שני האיזונים על ידי חיבור הצדדים השמאלי והימני יחד והפחתת מספר חלקיקי האלקטרונים.

8H⁺ + MnO₄^- + 5e^-→ 4H₂O + Mn²⁺ |2

H₂S -2e^- → 2H⁺ + S |5

16H⁺ + 2MnO₄^- + 5H₂ S → 8H₂O + 2Mn²⁺ + 10H⁺ + 5S

במשוואה המתקבלת, אתה יכול להקטין את המספר H⁺ ב-10: 6H⁺ + 2MnO₄ ^- + 5H₂S → 8H₂O + 2Mn ²⁺ + 5S.

בדיקת נכונות מאזן היונים על ידי ספירת מספר אטומי החמצן לפני ואחרי החץ, השווה ל-8. יש צורך גם לבדוק את המטענים של החלקים האחרונים והראשוניים של המאזן: (+6) + (-2)=+4. אם הכל תואם, אז זה נכון.

שיטת חצי התגובה מסתיימת במעבר מהסימון היוני למשוואה המולקולרית. עבור כל אניוני וחלקיק קטיוני של הצד השמאלי של המאזן, נבחר יון המנוגד למטען. ואז הם מועברים לצד ימין, באותה כמות. כעת ניתן לשלב יונים למולקולות שלמות.

6H⁺ + 2MnO₄^- + 5H₂ S → 8H₂O + 2Mn²⁺ + 5S

6Cl^- + 2K⁺ → 6Cl^- + 2K ⁺

H₂S + KMnO₄ + 6HCl → 8H₂O + 2MnCl ₂ + 5S + 2KCl.

ניתן ליישם את השיטה של חצי תגובות, שהאלגוריתם שלה מסתכם בכתיבת משוואה מולקולרית, יחד עם כתיבת מאזני סוג אלקטרוני.

קביעת חומרי חמצון

תפקיד זה שייך לחלקיקים יוניים, אטומיים או מולקולריים המקבלים אלקטרונים בעלי מטען שלילי. חומרים שמתחמצנים עוברים הפחתה בתגובות. יש להם חוסר אלקטרוני שניתן למלא בקלות. תהליכים כאלה כוללים חצי תגובות חיזור.

לא לכל החומרים יש את היכולת לקבל אלקטרונים. חומרי חמצון חזקים כוללים:

• נציגי הלוגן;
• חומצה כמו חנקנית, סלנית וגופרית;
• אשלגן פרמנגנט, דיכרומט, מנגנט, כרומט;
• תחמוצות ארבע ערכיות מנגן ועופרת;
• כסף וזהב יוני;
• תרכובות חמצן גזיות;
• תחמוצות נחושת דו ערכיות וכסף חד ערכיות;
• רכיבי מלח המכילים כלור;
• וודקה מלכותית;
• מי חמצן.

קביעת סוכני צמצום

תפקיד זה שייך לחלקיקים יוניים, אטומיים או מולקולריים המפיצים מטען שלילי. בתגובות, חומרים מצמצמים עוברים פעולת חמצון כאשר אלקטרונים מסולקים.

לנכסי שיקום יש:

• נציגים של מתכות רבות;
• תרכובות ארבע ערכיות גופרית ומימן גופרתי;
• חומצות הלוגניות;
• ברזל, כרום ומנגן סולפטים;
• פח דו ערכי כלוריד;
• ריאגנטים המכילים חנקן כגון חומצה חנקתית, תחמוצת דו ערכית, אמוניה והידרזין;
• פחמן טבעי והתחמוצת הדו ערכית שלו;
• מולקולות מימן;
• חומצה זרחתית.

יתרונות שיטת האלקטרון-יון

כדי לכתוב תגובות חיזור, שיטת חצי התגובה משמשת לעתים קרובות יותר מאשר מאזן הטופס האלקטרוני.

זה נובע מהיתרונות של שיטת האלקטרון-יון:

1. כאשר כותבים משוואה, קחו בחשבון את היונים והתרכובות האמיתיות הקיימות בפתרון.
2. ייתכן שאין לך מידע תחילה על החומרים המתקבלים, הם נקבעים בשלבים הסופיים.
3. לא תמיד יש צורך בנתוני ציון חמצון.
4. תודות לשיטה, ניתן לברר את מספר האלקטרונים המשתתפים בחצי תגובות, כיצד משתנה ה-pH של התמיסה.
5. סינגולריותתהליכים ומבנה החומרים שנוצרו.

חצי תגובות בתמיסת חומצה

ביצוע חישובים עם עודף של יוני מימן מציית לאלגוריתם הראשי. השיטה של חצי תגובות במדיום חומצי מתחיל ברישום של החלקים המרכיבים של כל תהליך. אז הם באים לידי ביטוי בצורה של משוואות של הצורה היונית עם האיזון של המטען האטומי והאלקטרוני. תהליכים בעלי אופי מחמצן ומפחית מתועדים בנפרד.

כדי להשוות חמצן אטומי בכיוון התגובות עם העודף שלו, מוכנסים קטיוני מימן. כמות H⁺ צריכה להספיק כדי להשיג מים מולקולריים. בכיוון של חוסר חמצן, H₂O.

אז בצע את האיזון של אטומי מימן ואלקטרונים.

הם מסכמים את חלקי המשוואות לפני ואחרי החץ עם סידור המקדמים.

הפחת יונים ומולקולות זהות. החלקיקים האניונים והקטיוניים החסרים מתווספים לריאגנטים שכבר נרשמו במשוואה הכוללת. המספר שלהם אחרי ולפני החץ חייב להתאים.

משוואת ה-OVR (שיטת חצי-תגובה) נחשבת למילוי בעת כתיבת ביטוי מוכן של צורה מולקולרית. לכל רכיב חייב להיות מכפיל מסוים.

דוגמאות לסביבות חמוצות

האינטראקציה של נתרן ניטריט עם חומצה כלורית מובילה לייצור של נתרן חנקתי וחומצה הידרוכלורית. כדי לסדר את המקדמים משתמשים בשיטה של תגובות למחצה, דוגמאות לכתיבת משוואותקשור לציון סביבה חומצית.

NaNO₂ + HClO₃ → NaNO₃ + HCl

ClO₃^- + 6H⁺ + 6e^- → 3H₂O + Cl^- |1

NO₂^- + H₂O – 2e^- → NO₃^- +2H⁺ |3

ClO₃^- + 6H⁺ + 3H₂ O + 3NO₂^- → 3H₂O + Cl ^- + 3NO₃^- +6H⁺

ClO₃^- + 3NO₂^{-→ Cl}- ^{+ 3NO}3-

3Na⁺ + H⁺ → 3Na⁺ + H ⁺

3NaNO₂ + HClO₃ → 3NaNO₃ + HCl.

בתהליך זה נוצר חנקת נתרן מניטריט וחומצה הידרוכלורית נוצרת מחומצה כלורית. מצב החמצון של חנקן משתנה מ-+3 ל-+5, והמטען של כלור +5 הופך ל-1. שני המוצרים אינם יורדים.

תגובות למחצה עבור מדיום אלקליין

ביצוע חישובים עם עודף של יוני הידרוקסיד מתאים לחישובים עבור תמיסות חומציות. השיטה של חצי תגובות בתווך אלקליין מתחילה גם בביטוי של החלקים המרכיבים את התהליך בצורה של משוואות יוניות. הבדלים נצפים במהלך יישור מספר החמצן האטומי. אז, מים מולקולריים מתווספים לצד התגובה עם עודף שלהם, ואניונים הידרוקסיד מתווספים לצד הנגדי.

המקדם שלפני מולקולת H₂O מראה את ההבדל בכמות החמצן אחרי ולפני החץ, ועבור OH^{-יונים זה מוכפל. במהלך החמצוןמגיב שפועל כחומר מפחית מסיר אטומי O מאניונים הידרוקסילים.}

שיטה של חצי תגובות מסתיימת עם השלבים הנותרים של האלגוריתם, החופפים לתהליכים שיש להם עודף חומצי. התוצאה הסופית היא משוואה מולקולרית.

דוגמאות אלקליות

כאשר יוד מעורבב עם נתרן הידרוקסיד, נוצרות נתרן יודיד ויודט, מולקולות מים. כדי להשיג את האיזון של התהליך, נעשה שימוש בשיטת חצי תגובה. לדוגמאות לתמיסות אלקליות יש פרטים משלהן הקשורים להשוואה של חמצן אטומי.

NaOH + I₂ →NaI + NaIO₃ + H₂O

I + e^- → I^- |5

6OH^- + I - 5e^- → I^- + 3H 2_{O + IO}3- ^|1

I + 5I + 6OH^- → 3H₂O + 5I^- + IO ₃^-

6Na⁺ → Na⁺ + 5Na⁺

6NaOH + 3I₂ →5NaI + NaIO₃ + 3H₂O.

תוצאת התגובה היא היעלמות הצבע הסגול של יוד מולקולרי. יש שינוי במצב החמצון של יסוד זה מ-0 ל-1 ו-+5 עם היווצרות יודיד נתרן ויודט.

תגובות בסביבה ניטרלית

בדרך כלל זהו שם התהליכים המתרחשים במהלך הידרוליזה של מלחים עם יצירת תמיסה מעט חומצית (עם pH של 6 עד 7) או מעט בסיסית (עם pH של 7 עד 8).

שיטת חצי התגובה במדיום ניטרלי כתובה בכמהאפשרויות.

השיטה הראשונה לא לוקחת בחשבון הידרוליזה של מלח. המדיום נלקח כנייטרלי, ומים מולקולריים מוקצים משמאל לחץ. בגרסה זו, חצי תגובת אחת נלקחת כחומצית, והשנייה כאלקלית.

השיטה השנייה מתאימה לתהליכים שבהם ניתן להגדיר את הערך המשוער של ערך ה-pH. אז התגובות לשיטת יון-אלקטרון נחשבות בתמיסה בסיסית או חומצית.

דוגמה לסביבה נייטרלית

כאשר מימן גופרתי משולב עם נתרן דיכרומט במים, מתקבל משקע של גופרית, נתרן וכרום הידרוקסיד תלת-ערכי. זוהי תגובה אופיינית לפתרון ניטרלי.

Na₂Cr₂O₇ + H₂ S +H2O → NaOH + S + Cr(OH)₃

H₂S - 2e^- → S + H⁺ |3

7H₂O + Cr₂O₇^2- + 6e^- → 8OH^- + 2Cr(OH)₃ |1

7H₂O +3H₂S + Cr₂O ₇^2- → 3H⁺ +3S + 2Cr(OH)₃ +8OH^-. קטיוני מימן ואניונים הידרוקסיד מתחברים ויוצרים 6 מולקולות מים. ניתן להסיר אותם בצד ימין ובצד שמאל, ולהשאיר את העודף מול החץ.

H₂O +3H₂S + Cr₂O ₇^2- → 3S + 2Cr(OH)₃ +2OH^-

2Na⁺ → 2Na⁺

Na₂Cr₂O₇ + 3H₂ S +H₂O → 2NaOH + 3S + 2Cr(OH)₃

בסוף התגובה, משקע של כרום הידרוקסיד כחול וצהובגופרית בתמיסה אלקלית עם נתרן הידרוקסיד. מצב החמצון של היסוד S עם -2 הופך ל-0, ומטען הכרום עם +6 הופך ל-+3.