Kovaa asiaa: hapetus-pelkistysreaktion tasapainottaminen (hapan liuos)

Edellisessä osassa käsittelin neutraalissa liuoksessa tapahtuvan reaktion tasapainottamista, ja tässä pureudun nyt hieman monimutkaisempaan tapaukseen eli tasapainotukseen happamassa liuoksessa.

Otetaan reaktio

$Cr_2O_7^{2-} (aq) + HNO_2 (aq) \longrightarrow Cr^{3+} (aq) + NO_3^- (aq)$

joka tasapainotetaan. Selvitetään atomien hapetusluvut ja kirjataan ylös osareaktiot.

$\stackrel{\text{+6}}{Cr}_2\stackrel{\text{-2}}{O}_7 (aq) + \stackrel{\text{+1}}{H}\stackrel{\text{+3}}{N}\stackrel{\text{-2}}{O}_2 (aq) \longrightarrow \stackrel{\text{+3}}{Cr} (aq) + \stackrel{\text{+5}}{N}\stackrel{\text{-2}}{O}_3 (aq)$

Osareaktio 1:

$\stackrel{\text{+6}}{Cr}_2\stackrel{\text{-2}}{O}_7 (aq) \longrightarrow \stackrel{\text{3+}}{Cr} (aq)$

Kromin varaus muuttuu +5:stä +3:een eli se vastaanottaa kolme elektronia eli pelkistyy.

Osareaktio 2:

$\stackrel{\text{+1}}{H}\stackrel{\text{+3}}{N}\stackrel{\text{-2}}{O}_2 (aq)  \longrightarrow \stackrel{\text{+5}}{N}\stackrel{\text{-2}}{O}_3 (aq)$

Typen varaus muuttuu +3:sta +5:ksi eli se luovuttaa kaksi elektronia, siis hapettuu.

Nyt hapettuva ja pelkistyvä atomi ovat selvillä, joten tasapainotus voidaan aloittaa. Tasapainotetaan kaikki muut paitsi O ja H, eli tässä tapauksessa vain osareaktion 1 kromi (osareaktiossa 2 typen määrät ovat jo tasapainossa):

$Cr_2O_7^{2-} (aq) \longrightarrow 2 Cr^{3+} (aq) $

Tasapainotetaan happi lisäämällä $H_2O$, nyt kumpaankin osareaktioon.

$Cr_2O_7^{2-} (aq) \longrightarrow 2 Cr^{3+} (aq) + 7 H_2O (l) $

$HNO_2 (aq)  + H_2O (l) \longrightarrow NO_3^- (aq) $

Tasapainotetaan vedyt lisäämällä $H^+$.

$Cr_2O_7^{2-} (aq) + 14 H^+ (aq) \longrightarrow 2 Cr^{3+} (aq) + 7 H_2O (l) $

$HNO_2 (aq)  + H_2O (l) \longrightarrow NO_3^- (aq) + 3 H^+ (aq)$

Seuraavaksi tasapainotetaan elektronit. Voimme huomata, että ensimmäisessä osareaktiossa siirtyy kolme elektronia yhtä kromia kohti, joten kahta kromia kohti siirtyy siis kuusi elektronia. Osareaktion vasemmalle puolelle tulee siis kuusi elektronia:

$Cr_2O_7^{2-} (aq) + 14 H^+ (aq) + 6 e^- \longrightarrow 2 Cr^{3+} (aq) + 7 H_2O (l) $

Kakkososareaktion kohdalla elektroneja siirtyy kaksi ja ne tulevat vasemmalle puolelle:

$HNO_2 (aq)  + H_2O (l) \longrightarrow NO_3^- (aq) + 3 H^+ (aq) + 2 e^-$

Nyt osareaktiot näyttävät tältä:

$Cr_2O_7^{2-} (aq) + 14 H^+ (aq) + 6 e^- \longrightarrow 2 Cr^{3+} (aq) + 7 H_2O (l) $

$HNO_2 (aq)  + H_2O (l) \longrightarrow NO_3^- (aq) + 3 H^+ (aq) + 2 e^-$

Näihin pitäisi saada nyt vielä sama määrä elektroneja, joten osareaktio 2 pitää kertoa kolmella, jotta elektroneja saadaan kuusi, kuten osareaktiossa 1.

$Cr_2O_7^{2-} (aq) + 14 H^+ (aq) + 6 e^- \longrightarrow 2 Cr^{3+} (aq) + 7 H_2O (l) $

$3 * [HNO_2 (aq)  + H_2O (l) \longrightarrow NO_3^- (aq) + 3 H^+ (aq) + 2 e^-]$

Tästä saadaan:

$Cr_2O_7^{2-} (aq) + 14 H^+ (aq) + 6 e^- \longrightarrow 2 Cr^{3+} (aq) + 7 H_2O (l) $

$3 HNO_2 (aq)  + 3 H_2O (l) \longrightarrow 3 NO_3^- (aq) + 9 H^+ (aq) + 6 e^-$

Yhdistetään reaktiot:

$Cr_2O_7^{2-} (aq) + 14 H^+ (aq) + 6 e^- + 3 HNO_2 (aq)  + 3 H_2O (l) \longrightarrow$

$2 Cr^{3+} (aq) + 7 H_2O (l) + 3 NO_3^- (aq) + 9 H^+ (aq) + 6 e^-$

Elektronit kumoavat toisensa, ja sen lisäksi myös kolme vesimolekyyliä ja 9 vetyionia, jolloin jäljelle jää nettoreaktio:

$Cr_2O_7^{2-} (aq) + 5 H^+ (aq) + 3 HNO_2 (aq) \longrightarrow 2 Cr^{3+} (aq) + 4 H_2O (l) + 3 NO_3^- (aq)$

Teksti on suomennos ja mukaelma tästä esimerkistä.