วิธีกึ่งปฏิกิริยา: อัลกอริธึม

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

กระบวนการทางเคมีหลายอย่างเกิดขึ้นพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันของอะตอมที่สร้างสารประกอบที่ทำปฏิกิริยา การเขียนสมการปฏิกิริยารีดอกซ์มักมีปัญหาในการจัดเรียงสัมประสิทธิ์หน้าสูตรของสารแต่ละสูตร เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ เทคนิคต่างๆ ได้รับการพัฒนาที่เกี่ยวข้องกับความสมดุลทางอิเล็กทรอนิกส์หรืออิเลคตรอน-ไอออนของการกระจายประจุ บทความอธิบายรายละเอียดวิธีการเขียนสมการที่สอง

วิธีกึ่งปฏิกิริยา เอนทิตี

เรียกอีกอย่างว่าสมดุลอิเลคตรอน-ไอออนของการกระจายตัวของปัจจัยสัมประสิทธิ์ วิธีการนี้ใช้การแลกเปลี่ยนอนุภาคที่มีประจุลบระหว่างแอนไอออนหรือไอออนบวกในตัวกลางที่ละลายด้วยค่า pH ต่างกัน

ในปฏิกิริยาของอิเล็กโทรไลต์ของประเภทออกซิไดซ์และรีดิวซ์ จะเกี่ยวข้องกับไอออนที่มีประจุลบหรือประจุบวก สมการโมเลกุล-ไอออนิกโดยอาศัยวิธีการกึ่งปฏิกิริยา ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงแก่นแท้ของกระบวนการใดๆ อย่างชัดเจน

ในการสร้างเครื่องชั่ง การกำหนดอิเล็กโทรไลต์พิเศษของตัวเชื่อมที่แรงจะใช้เป็นอนุภาคไอออนิก และสารประกอบอ่อน ก๊าซ และการตกตะกอนในรูปของโมเลกุลที่ไม่แยกจากกัน เป็นส่วนหนึ่งของโครงการจำเป็นต้องระบุอนุภาคที่ระดับของการเปลี่ยนแปลงออกซิเดชันของพวกมัน เพื่อกำหนดตัวกลางตัวทำละลายในเครื่องชั่ง ความเป็นกรด (H⁺) ด่าง (OH^-) และเป็นกลาง (H_{2O) เงื่อนไข}

ใช้ทำอะไร

ใน OVR วิธี half-reaction มีจุดมุ่งหมายเพื่อเขียนสมการไอออนิกแยกกันสำหรับกระบวนการออกซิเดชันและการรีดักชัน ยอดเงินสุดท้ายจะเป็นยอดรวมของพวกเขา

ขั้นตอนการดำเนินการ

วิธีครึ่งปฏิกิริยามีลักษณะเฉพาะในการเขียน อัลกอริทึมประกอบด้วยขั้นตอนต่อไปนี้:

- ขั้นตอนแรกคือการเขียนสูตรของสารตั้งต้นทั้งหมด ตัวอย่างเช่น:

H₂S + KMnO₄ + HCl

- จากนั้น คุณต้องสร้างฟังก์ชัน จากมุมมองทางเคมี ของแต่ละกระบวนการองค์ประกอบ ในปฏิกิริยานี้ KMnO₄ ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ H₂S เป็นสารรีดิวซ์ และ HCl กำหนดสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด

- ขั้นตอนที่สามคือการเขียนสูตรของสารประกอบที่ทำปฏิกิริยากับไอออนิกที่มีศักยภาพอิเล็กโทรไลต์ที่แรงซึ่งอะตอมมีการเปลี่ยนแปลงในสถานะออกซิเดชัน ในการโต้ตอบนี้ MnO₄^- ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ H₂S คือรีดิวซ์รีเอเจนต์ และ H⁺ หรือ oxonium cation H₃O⁺ กำหนดสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด สารประกอบอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นแก๊ส ของแข็ง หรืออ่อนจะแสดงโดยสูตรโมเลกุลทั้งหมด

เมื่อรู้ส่วนประกอบเบื้องต้นแล้ว พยายามหาว่าตัวทำปฏิกิริยาออกซิไดซ์และรีดิวซ์ตัวใดจะมีรูปแบบรีดิวซ์และออกซิไดซ์ตามลำดับ บางครั้งสารขั้นสุดท้ายถูกกำหนดไว้แล้วในเงื่อนไข ซึ่งทำให้การทำงานง่ายขึ้น สมการต่อไปนี้ระบุการเปลี่ยนแปลงของ H₂S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์) เป็น S (กำมะถัน) และประจุลบ MnO₄ ^{-ถึง Mn cation}2+.

เพื่อความสมดุลของอนุภาคอะตอมในส่วนซ้ายและขวา ไฮโดรเจนไอออนบวก H⁺ หรือน้ำโมเลกุลถูกเติมลงในสื่อที่เป็นกรด ไฮดรอกไซด์ไอออน OH^- หรือ H₂O.

ถูกเติมลงในสารละลายอัลคาไลน์

MnO₄^-→ Mn²⁺

ในสารละลาย อะตอมออกซิเจนจากไอออนของแมงกาเนตร่วมกับ H⁺ ก่อตัวเป็นโมเลกุลของน้ำ ในการทำให้จำนวนองค์ประกอบเท่ากัน สมการจะถูกเขียนดังนี้: 2^{O + Mn}2+.

จากนั้นก็ทำการปรับสมดุลทางไฟฟ้า ในการทำเช่นนี้ให้พิจารณาจำนวนค่าใช้จ่ายทั้งหมดในส่วนด้านซ้ายปรากฎว่า +7 จากนั้นทางด้านขวาจะกลายเป็น +2 เพื่อให้กระบวนการสมดุล มีการเพิ่มอนุภาคลบ 5 อนุภาคในสารตั้งต้น: 8H⁺ + MnO₄-^{+ 5e} - ^{→ 4H}2_{O + Mn}2+^{. ส่งผลให้ครึ่งปฏิกิริยาลดลง}

ตอนนี้กระบวนการออกซิเดชันจะตามมาเพื่อทำให้จำนวนอะตอมเท่ากัน สำหรับสิ่งนี้ทางด้านขวาเพิ่มไฮโดรเจนไอออนบวก: H₂S → 2H⁺ + S.

หลังจากประจุเท่ากัน: H₂S -2e^- → 2H⁺ + S. จะเห็นได้ว่าอนุภาคลบสองตัวถูกดึงออกจากสารตั้งต้น มันกลายเป็นครึ่งปฏิกิริยาของกระบวนการออกซิเดชัน

เขียนสมการทั้งสองลงในคอลัมน์และทำให้เท่ากันกับค่าใช้จ่ายที่ให้และรับ ตามกฎสำหรับการพิจารณาทวีคูณที่เล็กที่สุด ตัวคูณจะถูกเลือกสำหรับแต่ละครึ่งปฏิกิริยา สมการออกซิเดชันและรีดักชันคูณด้วยมัน

ตอนนี้คุณสามารถเพิ่มเครื่องชั่งทั้งสองได้โดยการเพิ่มด้านซ้ายและขวาเข้าด้วยกัน และลดจำนวนอนุภาคอิเล็กตรอน

8H⁺ + MnO₄^- + 5e^-→ 4H₂O + Mn²⁺ |2

H₂S -2e^- → 2H⁺ + S |5

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

ในสมการผลลัพธ์ คุณสามารถลดจำนวน H⁺ ลง 10: 6H⁺ + 2MnO₄ ^- + 5H₂S → 8H₂O + 2Mn ²⁺ + 5S.

ตรวจสอบความถูกต้องของสมดุลไอออนโดยนับจำนวนอะตอมออกซิเจนก่อนและหลังลูกศรซึ่งเท่ากับ 8 นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องตรวจสอบประจุของส่วนสุดท้ายและส่วนต้นของเครื่องชั่ง: (+6) + (-2)=+4 หากทุกอย่างลงตัว แสดงว่าถูกต้อง

วิธีครึ่งปฏิกิริยาจบลงด้วยการเปลี่ยนจากสัญกรณ์ไอออนิกเป็นสมการโมเลกุล สำหรับแต่ละประจุลบและอนุภาคประจุบวกทางด้านซ้ายของเครื่องชั่ง เลือกไอออนที่อยู่ตรงข้ามกับประจุ จากนั้นจะถูกโอนไปทางด้านขวาในจำนวนเท่ากัน ตอนนี้ไอออนสามารถรวมกันเป็นโมเลกุลทั้งหมดได้แล้ว

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

6Cl^- + 2K⁺ → 6Cl^- + 2K ⁺⁺

H₂S + KMnO4 _{+ 6HCl → 8H}2_{O + 2MnCl} 2 _{+ 5S + 2KCl.}

มันเป็นไปได้ที่จะใช้วิธีครึ่งปฏิกิริยา ซึ่งอัลกอริธึมที่ใช้เขียนสมการโมเลกุล ควบคู่ไปกับการเขียนเครื่องชั่งแบบอิเล็กทรอนิกส์

การหาตัวออกซิไดซ์

บทบาทนี้เป็นของอนุภาคไอออนิก อะตอมหรือโมเลกุลที่รับอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ สารที่ออกซิไดซ์เกิดปฏิกิริยาลดลง พวกเขามีข้อบกพร่องทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถเติมได้ง่าย กระบวนการดังกล่าวรวมถึงรีดอกซ์ครึ่งปฏิกิริยา

สารบางชนิดไม่สามารถรับอิเล็กตรอนได้ ตัวออกซิไดซ์ที่แรง ได้แก่

• ตัวแทนฮาโลเจน
• กรดอย่างไนตริก ซีลีนิก และกำมะถัน
• โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต, ไดโครเมต, แมงกาเนต, โครเมต;
• แมงกานีสและตะกั่วเตตระวาเลนต์ออกไซด์
• เงินและทองไอออนิก;
• สารประกอบออกซิเจนในก๊าซ
• ทองแดงไดวาเลนท์และซิลเวอร์ออกไซด์โมโนวาเลนต์;
• ส่วนประกอบเกลือที่มีคลอรีน;
• รอยัลวอดก้า;
• ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์

การกำหนดตัวรีดิวซ์

บทบาทนี้เป็นของอนุภาคไอออนิก อะตอมหรือโมเลกุลที่ให้ประจุลบ ในปฏิกิริยา สารรีดิวซ์จะเกิดปฏิกิริยาออกซิไดซ์เมื่ออิเล็กตรอนถูกกำจัด

คุณสมบัติการบูรณะมี:

• ตัวแทนโลหะหลายชนิด;
• สารประกอบเตตระวาเลนต์กำมะถันและไฮโดรเจนซัลไฟด์;
• กรดฮาโลเจน;
• เหล็ก โครเมียมและแมงกานีสซัลเฟต
• ทินไดวาเลนท์คลอไรด์
• รีเอเจนต์ที่มีไนโตรเจน เช่น กรดไนตรัส ไดวาเลนต์ออกไซด์ แอมโมเนีย และไฮดราซีน
• คาร์บอนธรรมชาติและไดวาเลนต์ออกไซด์
• โมเลกุลของไฮโดรเจน
• กรดฟอสฟอรัส

ข้อดีของวิธีอิเล็กตรอน-ไอออน

ในการเขียนปฏิกิริยารีดอกซ์ วิธีครึ่งปฏิกิริยาจะใช้บ่อยกว่าเครื่องชั่งแบบอิเล็กทรอนิกส์

นี่เป็นเพราะข้อดีของวิธีอิเล็กตรอนไอออน:

1. เมื่อเขียนสมการ ให้พิจารณาไอออนและสารประกอบจริงที่มีอยู่ในสารละลาย
2. คุณอาจไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับผลลัพธ์ของสารในขั้นต้น แต่จะถูกกำหนดในขั้นตอนสุดท้าย
3. ไม่จำเป็นต้องมีข้อมูลเกรดออกซิเดชันเสมอไป
4. ด้วยวิธีการนี้ คุณสามารถค้นหาจำนวนอิเล็กตรอนที่มีส่วนร่วมในครึ่งปฏิกิริยา การเปลี่ยนแปลงค่า pH ของสารละลาย
5. ภาวะเอกฐานกระบวนการและโครงสร้างของสารที่ได้

ครึ่งปฏิกิริยาในสารละลายกรด

การคำนวณที่มีไฮโดรเจนไอออนเกินจะเป็นไปตามอัลกอริธึมหลัก วิธีการครึ่งปฏิกิริยาในตัวกลางที่เป็นกรดเริ่มต้นด้วยการบันทึกส่วนประกอบต่างๆ ของกระบวนการใดๆ จากนั้นจะแสดงในรูปของสมการของรูปแบบไอออนิกที่มีความสมดุลของประจุปรมาณูและอิเล็กทรอนิกส์ กระบวนการของการเกิดออกซิไดซ์และการรีดิวซ์จะถูกบันทึกแยกกัน

เพื่อให้ออกซิเจนปรมาณูเท่ากันในทิศทางของปฏิกิริยาที่มีส่วนเกิน จะมีการแนะนำไฮโดรเจนไอออนบวก ปริมาณของ H⁺ ควรจะเพียงพอที่จะรับน้ำโมเลกุล ในทิศทางของการขาดออกซิเจน H₂O.

จากนั้นทำสมดุลของอะตอมไฮโดรเจนและอิเล็กตรอน

พวกเขาสรุปส่วนของสมการก่อนและหลังลูกศรด้วยการจัดเรียงสัมประสิทธิ์

ลดไอออนและโมเลกุลที่เหมือนกัน อนุภาคประจุลบและประจุบวกที่หายไปจะถูกเติมลงในรีเอเจนต์ที่บันทึกไว้แล้วในสมการโดยรวม หมายเลขของพวกเขาก่อนและหลังลูกศรต้องตรงกัน

สมการ OVR (วิธีครึ่งปฏิกิริยา) ถือว่าสมบูรณ์เมื่อเขียนนิพจน์สำเร็จรูปของรูปแบบโมเลกุล แต่ละองค์ประกอบต้องมีตัวคูณที่แน่นอน

ตัวอย่างสภาพแวดล้อมที่เปรี้ยว

ปฏิกิริยาของโซเดียมไนไตรท์กับกรดคลอริกทำให้เกิดการผลิตโซเดียมไนเตรตและกรดไฮโดรคลอริก ในการจัดเรียงสัมประสิทธิ์จะใช้วิธีการกึ่งปฏิกิริยาตัวอย่างการเขียนสมการเกี่ยวข้องกับการแสดงสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด

NaNO₂ + HClO₃ → NaNO₃ + HCl

ClO₃^- + 6H⁺ + 6e^- → 3H₂O + Cl^- |1

NO₂^- + H₂O – 2e^- → ไม่₃^- +2H⁺ |3

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

ClO₃^- + 3NO₂^{-→ Cl}- ^{+ 3NO}3-

3Na⁺ + H⁺ → 3Na⁺ + H ⁺⁺

3NaNO₂ + HClO3 _{→ 3NaNO}3 _{+ HCl.}

ในกระบวนการนี้ โซเดียมไนเตรตสร้างจากไนไตรต์ และกรดไฮโดรคลอริกก่อตัวจากกรดคลอริก สถานะออกซิเดชันของไนโตรเจนเปลี่ยนจาก +3 เป็น +5 และประจุของคลอรีน +5 จะกลายเป็น -1 ผลิตภัณฑ์ทั้งสองไม่ตกตะกอน

กึ่งปฏิกิริยาสำหรับตัวกลางที่เป็นด่าง

การคำนวณที่มีไฮดรอกไซด์ไอออนมากเกินไปจะสอดคล้องกับการคำนวณหาสารละลายที่เป็นกรด วิธีการครึ่งปฏิกิริยาในตัวกลางที่เป็นด่างยังเริ่มต้นด้วยการแสดงออกของส่วนประกอบต่างๆ ของกระบวนการในรูปแบบของสมการไอออนิก จะสังเกตเห็นความแตกต่างระหว่างการจัดตำแหน่งของออกซิเจนอะตอมมิก ดังนั้นน้ำโมเลกุลจะถูกเติมที่ด้านข้างของปฏิกิริยาด้วยส่วนเกินและเติมไฮดรอกไซด์แอนไอออนที่ด้านตรงข้าม

สัมประสิทธิ์หน้า H₂O โมเลกุลแสดงความแตกต่างของปริมาณออกซิเจนหลังและก่อนลูกศร และสำหรับ OH^{-ไอออนเป็นสองเท่า ในระหว่างการออกซิเดชันน้ำยาที่ทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์เอาอะตอม O ออกจากไฮดรอกซิลแอนไอออน}

วิธีครึ่งปฏิกิริยาจะจบลงด้วยขั้นตอนที่เหลือของอัลกอริทึม ซึ่งตรงกับกระบวนการที่มีความเป็นกรดมากเกินไป ผลลัพธ์ที่ได้คือสมการโมเลกุล

ตัวอย่างอัลคาไลน์

เมื่อไอโอดีนผสมกับโซเดียมไฮดรอกไซด์ โซเดียมไอโอไดด์และไอโอเดตจะเกิดเป็นโมเลกุลของน้ำ เพื่อให้ได้ความสมดุลของกระบวนการ ใช้วิธีการครึ่งปฏิกิริยา ตัวอย่างของสารละลายอัลคาไลน์มีความเฉพาะเจาะจงที่เกี่ยวข้องกับการทำให้อะตอมออกซิเจนเท่ากัน

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⁺ → นา⁺ + 5Na⁺

6NaOH + 3I₂ →5NaI + NaIO₃ + 3H₂O.

ผลของปฏิกิริยาคือการหายไปของสีม่วงของโมเลกุลไอโอดีน มีการเปลี่ยนแปลงในสถานะออกซิเดชันขององค์ประกอบนี้จาก 0 เป็น -1 และ +5 ด้วยการก่อตัวของโซเดียมไอโอไดด์และไอโอเดต

ปฏิกิริยาในสภาพแวดล้อมที่เป็นกลาง

มักจะเป็นชื่อของกระบวนการที่เกิดขึ้นในระหว่างการไฮโดรไลซิสของเกลือด้วยการก่อตัวของกรดเล็กน้อย (ด้วย pH 6 ถึง 7) หรือด่างเล็กน้อย (ด้วย pH 7 ถึง 8).

วิธีครึ่งปฏิกิริยาในตัวกลางที่เป็นกลางเขียนไว้หลายตัวตัวเลือก

วิธีแรกไม่คำนึงถึงการย่อยด้วยเกลือ สื่อจะถูกกำหนดให้เป็นกลางและน้ำโมเลกุลถูกกำหนดไว้ทางด้านซ้ายของลูกศร ในเวอร์ชันนี้ ปฏิกิริยาครึ่งหนึ่งเป็นกรดและอีกปฏิกิริยาเป็นด่าง

วิธีที่สองเหมาะสำหรับกระบวนการที่คุณสามารถตั้งค่าโดยประมาณของค่า pH ได้ จากนั้นจึงพิจารณาปฏิกิริยาของวิธีอิออน-อิเล็กตรอนในสารละลายอัลคาไลน์หรือกรด

ตัวอย่างสภาพแวดล้อมที่เป็นกลาง

เมื่อรวมไฮโดรเจนซัลไฟด์กับโซเดียมไดโครเมตในน้ำ จะได้ตะกอนของกำมะถัน โซเดียม และไตรวาเลนท์โครเมียมไฮดรอกไซด์ นี่เป็นปฏิกิริยาปกติสำหรับสารละลายที่เป็นกลาง

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^-. ไฮโดรเจนไอออนบวกและแอนไอออนของไฮดรอกไซด์รวมกันเป็นโมเลกุลของน้ำ 6 โมเลกุล สามารถถอดได้ทั้งด้านซ้ายและด้านขวา โดยเหลือไว้ด้านหน้าลูกศร

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

2Na⁺ → 2Na⁺

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

เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา จะเกิดตะกอนโครเมียมไฮดรอกไซด์สีน้ำเงินและสีเหลืองกำมะถันในสารละลายอัลคาไลน์กับโซเดียมไฮดรอกไซด์ สถานะออกซิเดชันของธาตุ S ที่มี -2 กลายเป็น 0 และประจุของโครเมียมด้วย +6 จะกลายเป็น +3