Varför får man anta att hydroxid- eller vätejoner deltar i redoxreaktioner?

naytte skrev:

Hej!

Jag håller fortfarande på att försöka förstå redoxreaktioner och nu håller jag på att studera hur man balanserar dem. I många redoxreaktioner, exempelvis nedanstående, måste man veta huruvida den sker i sur eller basisk miljö:

Cu (s) + NO₃^- (aq) → Cu²⁺ (aq) + NO₂ (g)

Låt säga att denna reaktion sker i en sur miljö. Man måste du anta under balanseringen att vätejoner deltar i reaktionen. Jag har två frågor om detta:

1. Varför får man anta att vätejoner deltar i reaktionen? Hur vet vi det?

Om det står i uppgiften att reaktionen sker i sur miljö, så vet vi att det finns gott om oxoniumjoner/vätejoner närvarande, som skulle kunna delta i reaktionen och "ta hand om syren som blir över".

2. Varför räknar man med vätejoner istället för oxoniumjoner? Påverkar inte det antalet vatten man får ut på andra sidan?

För att det är enklare, och för att om reaktionen sker i vattenlösning är koncentrationen av vatten så stor att en eler ett par vattenmolekyler till inte spelar någon roll.

Om det står i uppgiften att reaktionen sker i sur miljö, så vet vi att det finns gott om oxoniumjoner/vätejoner närvarande, som skulle kunna delta i reaktionen och "ta hand om syren som blir över".

Det är jag med på, men hur kan vi vara säkra på att de deltar i reaktionen, när varken vätejonerna eller vattenmolekylerna finns med i den obalanserade reaktionen? Det vill säga, hur vet vi att det faktiskt är det som sker?

Och varför skrivs vätejonerna och vattenmolekylerna inte med från början om de deltar?

Man kan bevisa det genom experiment. Släpp ner en bit koppar i en lösning av salpetersyra så ser du att pH ökar, dvs [H+] sjunker. Det går inte att balansera reaktionsformeln utan att lägga till H+ som reaktant, dvs det måste delta för att reaktionen ska kunna äga rum.

Och varför skrivs vätejonerna och vattenmolekylerna inte med från början om de deltar?

Ofta är man ute efter att oxidera eller reducera ett ämne och väljer då ett passande oxidationsmedel eller reduktionsmedel. I detta fall kanske man vill lösa upp koppar och har då valt nitratjoner som oxidationsmedel. Därför är det dessa man skriver först i reaktionsformeln, dvs innan den är balanserad.

Teraeagle skrev:

Man kan bevisa det genom experiment. Släpp ner en bit koppar i en lösning av salpetersyra så ser du att pH ökar, dvs [H+] sjunker. Det går inte att balansera reaktionsformeln utan att lägga till H+ som reaktant, dvs det måste delta för att reaktionen ska kunna äga rum.

Ja okej, så det är rent experimenellt framtaget då? Alltså man vet att det är just vätejoner som deltar i reaktionen eftersom det är experimentellt belagt att det är så i redoxreaktioner i sur miljö?

Om nitratjoner ska kunna oxidera koppar till kopparjoner och samtidigt omvandlas till kvävedioxid kräver det att vätejoner deltar i reaktionen. Du kan inte balansera formeln annars. Att denna reaktion sen faktiskt sker kan man belägga genom experiment.

Det finns alltså en teoretisk grund som kräver att vätejonerna deltar, vilket man kan verifiera med experiment.

I princip skulle du kunna ha vatten som reaktant och hydroxidjoner som produkt istället för vätejoner som reaktant. Testa att balansera en sån formel. Resultatet blir dock detsamma eftersom det finns en jämvikt mellan H+ och OH-. Om man tänker sig att det bildas OH- istället för att H+ reagerar så kommer OH- sedan att reagera med H+ i lösningen och bilda vatten. Alltså blir slutresultatet ändå att vätejoner förbrukas samtidigt som vatten bildas.

Om man tänker sig att det bildas OH- istället för att H+ reagerar så kommer OH- sedan att reagera med H+ i lösningen och bilda vatten. 

Beror detta på att det finns en betydligt större mängd vätejoner än hydroxidjoner i lösningen? När jag räknar med vatten som reaktant istället hamnar jag här:

2NO₃^- (aq) + Cu (s) + 2H₂O → 2NO₂ (g) + Cu²⁺ (aq) + 4OH^- (aq)

Men den här reaktionen är väl identisk med redoxreaktionen i basisk lösning? Hur kommer man härifrån till motsvarande sura lösning?

Om man hade en basisk lösning skulle man skriva som du har gjort nu. I sur lösning skulle man föredra den första versionen med vätejoner. Nitratjoner är inte alls lika oxiderande i basisk lösning, så troligen kan det inte oxidera koppar i en sådan miljö. Man kan räkna på ändringen i Gibbs energi för att se om reaktionen är möjlig.

De två reaktionsformlerna är dock ekvivalenta. De fyra OH- som bildas kommer reagera med fyra H+ i lösningen och bilda fyra H2O. Alltså blir detta samma sak som att skriva att fyra H+ reagerar och bildar fyra vatten.

Får man då 4OH^- + 4H₃O⁺ -> 4H₂O och om man lägger ihop denna med reaktionen ovan får man reaktionen för den sura lösningen?

Hur vet vi att detta kommer hända? Är det för att [H₃O⁺] >> [OH^-]?

Ja precis, fast det blir snarare 8 H2O som produkt när du skriver formeln med H3O+ istället för H+.

Så egentligen kan man balansera alla redoxreaktioner som om de vore i sur lösning (eftersom det är lite enklare), och sedan korrigera reaktionen med det i åtanke?

Så kan man göra, det beror på vad man själv tycker är enklast. Huvudsaken är att reaktionen man till slut kommer fram till inte

1. Har vätejoner som reaktant om det är basisk lösning
2. Har hydroxidjoner som reaktant om det är sur lösning