Metody poglądowe w dydaktyce chemii

Równania reakcji chemicznych (I)

W grudniu odbył się pierwszy etap olimpiady chemicznej uczniów szkół średnich. Zadanie, które sprawiło najwięcej kłopotów, polegało na dokończeniu wskazanych reakcji i uzupełnieniu w nich współczynników stechiometrycznych. Niektórzy mogą więc odebrać poniższy tekst jako "musztardę po obiedzie". Może jednak warto tematowi uzupełniania owych współczynników poświęcić trochę czasu?

Szczególnie ważny jest przypadek reakcji utleniania i redukcji. Najpopularniejszy ze sposobów bilansowania tych reakcji korzysta z pojęcia reakcji połówkowych i z formalnych stopni utlenienia (np. przyjmuje się, że stopień utlenienia węgla w CH₄ wynosi - 4, zaś w CO₂ +4). Omawiany jest w wilu podręcznikach. Jest to sposób niezły, ale wcale nie jedyny. Dziś o jednym z mniej popularnych sposobów. Nie wiem, kto go wymyślił, ani nie znam jego nazwy. Nazwijmy go sposobem dopisywania reagentów. Jest on skuteczny, gdy wiadomo, jak wyróżnić pary utleniacz - reduktor, biorące udział w reakcji, czyli jak rozbić reakcję na reakcje połówkowe.

Na początek suchy przepis, potem poznamy jego działanie na przykładach. Najpierw podziel reakcję na dwie reakcje połówkowe. Dalej postępuj z każdą z tych reakcji połówkowych tak:

A) uzgodnij niemetale (niemetal nie oznacza tu tlenu ani wodoru!);

B) uzgodnij metale;

C) po tej stronie reakcji, po której jest za mało tlenu, dopisz odpowiednią liczbę cząsteczek H₂O;

D) po tej stronie reakcji, po której jest za mało atomów wodoru, dopisz odpowiednią liczbę jonów H⁺. W tym momencie liczby atomów poszczególnych pierwiastków po obu stronach równania powinny być zgodne. Jeśli tak nie jest, wróć do A) i szukaj błędu;

E) teraz oblicz sumę ładunków po obu stronach równania i dopisz po odpowiedniej stronie odpowiednią liczbę elektronów e^- (pamiętaj, że elektrony są naładowane ujemnie!);

F) to samo (A-E) zrób z drugą reakcją połówkową;

G) dodaj obie reakcje stronami, mnożąc je uprzednio "na krzyż" przez liczby elektronów drugiej reakcji. Chodzi o to, by po dodaniu po obu stronach równania, występowało tyle samo elektronów, a wtedy można je pominąć. Ten moment jest identyczny, jak w np. w metodie wykorzystującej stopnie utlenienia. Jeśli nie interesuje cię reakcja sumaryczna, tylko reakcje połówkowe (np. elektrodowe) etapy F i G nie są potrzebne;

H) sprawdź, czy nie da się reakcji uprościć. Może np. cząsteczki wody występują niepotrzebnie po obu stronach równania?

I) jeśli wiadomo było, że reakcja przebiegała w roztworze obojętnym lub zasadowym, a po LEWEJ stronie równania widzisz jony H⁺ to musisz je stamtąd usunąć - dodaj do OBU stron równania odpowiednią liczbę jonów OH^- tak, by po lewej stronie powstała z jonów H⁺ woda.

Jasne, że tak przedstawiony przepis nie jest zbyt przejrzysty. Dlatego teraz będą dwa przykłady, wzięte ze wspomnianego zadania olimpijskiego. "Na rozgrzewkę" uzupełnimy reakcję połówkową zapisaną schematycznie tak:

H₂O₂ --> O₂

Łatwo zauważyć, że etapy A, B i C można tu pominąć. Wodór dopiszemy zgodnie z zaleceniem D):

H₂O₂ --> O₂ + 2H⁺

Teraz etap E: po lewej stronie nie mamy ładunków, po prawej +2. Należy więc dopisać dwa elektrony:

H₂O₂ --> O2 + 2H⁺ +2e^-

Chwila skupienia... Tak, to już koniec! Jest to poprawna odpowiedż. Może ten przykład był za prosty?

Rozważmy więc teraz przebiegającą w środowisku kwaśnym reakcję utleniania etanolu C₂H₅OH do kwasu octowego CH₃COOH za pomocą dwuchromianiu potasu. To już dosyć złożona reakcja.

W trakcie reakcji jony dwuchromianowe Cr₂O₇^2- ulegają redukcji do jonów chromowych Cr³⁺ (to, niestety, trzeba wiedzieć). Pierwszą z reakcji połówkowych wstępnie zapiszemy więc tak:

Cr₂O₇^2- --> Cr³⁺

W równaniu widzimy chrom i tlen. Zgodnie z naszymi regułami najpierw uzgodnimy chrom. Po prawej stronie jest go za mało - dopiszemy więc "2".

Cr₂O₇^2- --> 2Cr³⁺

Chrom w porządku, ale tlen nie. Teraz reguła C - dopisujemy po prawej stronie 7 cząsteczek wody, by po obu stronach równania było po 7 atomów tlenu:

Cr₂O₇^2- --> 2Cr³⁺ + 7H₂O

Tlen uzgodniony, ale popsuliśmy równanie przez wprowadzenie po prawej aż 14 atomów wodoru. Zgodnie z regułą D dopisujemy zatem po lewej stronie odpowiednią liczbę jonów wodorowych:

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ --> 2Cr³⁺ + 7H₂O

Sprawdzamy - wszystko dobrze, możemy przystąpić do zliczania ładunków. Po lewej stronie (-1) + 14(+1) = +12. Po prawej zaś mamy (+3) = +6. Ponieważ elektrony są ujemne, gdy dopiszemy ich sześć do lewej strony:

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^- --> 2Cr³⁺ + 7H₂O [*]

to po obu stronach mieć będziemy ładunek równy +6. Pierwsza reakcja połówkowa gotowa.

Teraz druga część mozołu. Schemat reakcji znamy:

C₂H₅OH --> CH₃COOH

Mamy węgiel, wodór i tlen. Zacząć powinniśmy od węgla (reguła A). Jednak po lewej i po prawej stronie widzimy po dwa atomy węgla i po co to zmieniać? Ponieważ metali nie widać, przechodzimy od razu do reguły C. Po lewej stronie jeden atom tlenu, po prawej dwa - trzeba po lewej dopisać H₂O:

C₂H₅OH + H₂O --> CH₃COOH

Tlen w porządku, czas na wodór. Liczymy: po lewej stronie 8 atomów, po prawej cztery. Dopisujemy więc co trzeba (reguła D):

C₂H₅OH + H₂O --> CH₃COOH + 4H⁺

Wreszcie ładunek - po lewej stronie zero, po prawej +4. Kiedy dopiszemy cztery (ujemne) elektrony po prawej stronie:

C₂H₅OH + H₂O --> CH₃COOH + 4H⁺ +4e^- [**]

druga reakcja połówkowa też będzie gotowa.

Teraz mało interesujący etap G. W pierwszej reakcji [*] mieliśmy 6 elektronów, a w drugiej [**] 4. Zamiast mnożyć pierwszą reakcję przez 4, a drugą przez 6, możemy oczywiście pomnożyć pierwszą przez 2, a drugą przez 3.
Po dodaniu stronami otrzymamy:

2Cr₂O₇^2- + 28H⁺ + 12e^- + 3C₂H₅OH + 3H₂O --> 4Cr³⁺ + 14H₂O + 3CH₃COOH + 12H⁺ + 12e^-

Jeszcze kosmetyka - po obu stronach powtarzają się jony wodorowe, woda i elektrony.

Reguła H zaleca zrobienie porządku i nasze równanie przybiera ostateczny kształt:

2Cr₂O₇^2- + 16H⁺ + 3C₂H₅OH --> 4Cr³⁺ + 11H₂O + 3CH₃COOH

Po lewej stronie mamy jony wodorowe, ale to dobrze (reguła I), bo przecież reakcja biegła w środowisku kwasu siarkowego. Zatem koniec pracy. UFF!

Z satysfakcją patrzymy na dzieło. Zgoda, otrzymanie tego wyniku jest w metodzie dopisywania dość żmudne. Ale za to nie musimy myśleć np. o stopniach utlenienia węgla w kwasie octowym, a nawet znać jego wzoru strukturalnego, zaś całe postępowanie po pewnym treningu można przeprowadzać "półautomatycznie", oszczędzając szare komórki do poważniejszych zadań.

Opisana metoda łatwiej od innych radzi sobie z utlenianiem związków organicznych ale ma też swoje ograniczenia. Tak naprawdę to jest przydatna tylko w reakcjach red-oks zachodzących w roztworach wodnych. Tylko wtedy możemy bowiem bezpiecznie dopisywać H₂O i jony H⁺ do równania reakcji.

Niezadowolonym można powiedzieć, że do pozostałych typów reakcji są inne metody. W następnym odcinku jedna z nich

Witold Mizerski KCh 1/91

A)		uzgodnij niemetale (niemetal nie oznacza tu tlenu ani wodoru!);
B)		uzgodnij metale;
C)		po tej stronie reakcji, po której jest za mało tlenu, dopisz odpowiednią liczbę cząsteczek H₂O;
D)		po tej stronie reakcji, po której jest za mało atomów wodoru, dopisz odpowiednią liczbę jonów H⁺. W tym momencie liczby atomów poszczególnych pierwiastków po obu stronach równania powinny być zgodne. Jeśli tak nie jest, wróć do A) i szukaj błędu;
E)		teraz oblicz sumę ładunków po obu stronach równania i dopisz po odpowiedniej stronie odpowiednią liczbę elektronów e^- (pamiętaj, że elektrony są naładowane ujemnie!);
F)		to samo (A-E) zrób z drugą reakcją połówkową;
G)		dodaj obie reakcje stronami, mnożąc je uprzednio "na krzyż" przez liczby elektronów drugiej reakcji. Chodzi o to, by po dodaniu po obu stronach równania, występowało tyle samo elektronów, a wtedy można je pominąć. Ten moment jest identyczny, jak w np. w metodie wykorzystującej stopnie utlenienia. Jeśli nie interesuje cię reakcja sumaryczna, tylko reakcje połówkowe (np. elektrodowe) etapy F i G nie są potrzebne;
H)		sprawdź, czy nie da się reakcji uprościć. Może np. cząsteczki wody występują niepotrzebnie po obu stronach równania?
I)		jeśli wiadomo było, że reakcja przebiegała w roztworze obojętnym lub zasadowym, a po LEWEJ stronie równania widzisz jony H⁺ to musisz je stamtąd usunąć - dodaj do OBU stron równania odpowiednią liczbę jonów OH^- tak, by po lewej stronie powstała z jonów H⁺ woda.