by Επανέρχομαι στο πρόβλημα της ισοστάθμισης, αυτή τη φορά από διαφορετική σκοπιά. Αν και στο σχολείο διδάσκουμε έναν τρόπο ισοστάθμισης πολύπλοκων οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων, στην πραγματικότητα υπάρχουν τρεις: η αλγεβρική μέθοδος, η μέθοδος την ημιαντιδράσεων και η μέθοδος της μεταβολής του ΑΟ. (Για όσους δεν θυμούνται τη μέθοδο των ημιαντιδράσεων, παραθέτω εδώ μια μικρή ανασκόπηση)
Έστω ότι έχουμε τη χημική εξίσωση: KMnO4+HCl → KCl + MnCl2 + Cl2 +H2O. Η ισοστάθμισή της και με τους 3 τρόπους παρουσιάζεται εδώ:
Επίσης έχουμε και τη χημική εξίσωση: KMnO4+SO2+H2SO4 → K2SO4+MnSO4+H2SO4+H2O. Η ισοστάθμιση της αντίδρασης με 2 τροπους είναι εδώ:
Όπως φαίνεται από τα παραδείγματα, η επιλογή μεθόδου ισοστάθμισης μοιάζει να είναι θέμα προσωπικού γούστου.
Ωστόσο, ερχόμαστε στη χημική εξίσωση:
KMnO4+SO2+HCl → KCl + MnCl2 + Cl2 +H2SO4+H2O
όπου μία ένωση ανάγεται και δύο οξειδώνονται. Η αλγεβρική μέθοδος έδωσε την παρακάτω ισοσταθμισμένη χημική εξίσωση:
2KMnO4+2SO2+12HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 3Cl2 +2H2SO4+4H2O
ενώ η μέθοδος των ημιαντιδράσεων την ακόλουθη ισοσταθμισμένη χημική εξίσωση:
4KMnO4+5SO2+22HCl →4KCl + 4MnCl2 + 5Cl2 +5H2SO4+6H2O
Το ερώτημα που γεννιέται είναι νομίζω προφανές: είναι και οι δύο σωστές, είναι μόνον η μία ή δεν υπάρχει σωστή χημική εξίσωση;
Η αλγεβρική μέθοδος και η μέθοδος των ημιαντιδράσεων περιγράφονται στο αρχείο “Πρόβλημα ισοστάθμισης“.
Υ.Γ. Η αλγεβρική μέθοδος είναι συνεισφορά του, φίλου και συναδέλφου, κου Παπαστεργιάδη.
Καλησπέρα Δημήτρη.
Πολύ ενδιαφέρον αλλά και ουσιαστικό το ερώτημά σου.
Σκέφτομαι, ότι είμαι καλεσμένος σε ένα τραπέζι με μπουφέ, όπου είναι δυο τα κύρια πιάτα. Κεφτεδάκια και γαρίδες.
Εμένα μου αρέσουν πολύ οι γαρίδες οπότε παίρνω για φαγητό 4 γαρίδες και 1 κεφτεδάκι.
Ο φίλος μου όμως ο Γιάννης είναι κρεατοφάγος, οπότε επιλέγει στο πιάτο του 5 κεφτεδάκια και μια γαρίδα.
Ποιος έκανε σωστή επιλογή; Θέμα γούστου!
Όμως υπάρχει το ενδεχόμενο στο τραπέζι να υπάρχουν 10 πιάτα με κεφτεδάκια και 2 με γαρίδες. Τότε τι γίνεται; Μήπως παρότι θα ήθελα περισσότερες γαρίδες, τελικά στο πιάτο μου να βρεθεί μια γαρίδα και 5-6 κεφτεδάκια; Μήπως δηλαδή και η υπάρχουσα ποσότητα από κάθε είδος θα καθορίσει και την επιλογή;
Αλλά για να μην κατηγορηθώ από τους φίλους Χημικούς ότι… «τους παίρνω την μπουκιά από το στόμα», αφήνω το τραπέζι, απομακρυνόμενος νηστικός 🙂 περιμενοντας μια επιστημονική απάντηση από τους ειδικούς.
Αλλά για μην μείνω μόνο σε σκέψεις μεταφορικές, ας δηλώσω και την άποψή μου.
Νομίζω ότι σωστή είναι η αντίδραση:
4KMnO4+5SO2+22HCl →4KCl + 4MnCl2 + 5Cl2 +5H2SO4+6H2O
Διονύση καταρχάς μας άνοιξες την όρεξη! Η αλήθεια είναι ότι και εμένα η πρώτη μου σκέψη ήταν ότι είναι σωστή η μέθοδος των ημιαντιδράσεων. Ξέρουμε ότι είναι μια γενική μέθοδος που μπορεί να δώσει αποτέλεσμα ακόμα και σε τέτοιες περιπτώσεις που έχουμε δύο ουσίες που οξειδώνονται. Γιατί αυτή είναι η ιδιαιτερότητα αυτής της αντίδρασης σε σχέση με τις άλλες που αναφέρει ο Δημήτρης και παρουσιάζεται αυτό το πρόβλημα. Τα περισσότερα βιβλία Γενικής Χημείας η πρώτη (σε πολλές περιπτώσεις και η μοναδική) μέθοδος που αναφέρουνε για την ισοστάθμιση οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων είναι η μέθοδος των ημιαντιδράσεων. Ωστόσο και στην αλγεβρική μέθοδο που παρουσιάζει ο Δημήτρης ικανοποιείται η συνθήκη “συνολική μεταβολή ΑΟ οξειδωτικού = συνολική μεταβολή ΑΟ αναγωγικού”. Από την άλλη, είναι δύσκολη η ισοστάθμιση τέτοιων αντιδράσεων με τη μέθοδο της μεταβολής του ΑΟ. Αυτό που δυσκολεύει, τουλάχιστον εμένα, είναι το ότι δεν γνωρίζω, αν έχω π.χ. δύο αναγωγικά, ποια θα πρέπει να είναι η αναλογία ατόμων τους που οξειδώνονται ώστε η συνολική μεταβολή των ΑΟ τους να ισούται με τη συνολική μεταβολή του ΑΟ του οξειδωτικού. Από αυτή η δυσκολία με βγάζει η μέθοδος των ημιαντιδράσεων διότι εκεί η αναλογία που υπαγορεύεται είναι συγκεκριμένη. Δείτε π.χ. τις δύο ημιαντιδράσεις του SO2 και του Cl- στην αντίδραση του Δημήτρη. Όταν τις προσθέτει για να προκύψει η συνολική αντίδραση (ή μήπως ημιαντίδραση;) οξείδωσης, θεωρεί ότι η αναλογία ατόμων S και Cl που οξειδώνονται είναι 1:2. Δηλαδή ότι για κάθε άτομο S που οξειδώνεται, οξειδώνονται ταυτόχρονα και δύο ιόντα Cl-. Έτσι, στη οξειδοαναγωγική αντίδραση που προκύπτει τελικά, η συνολική μεταβολή του ΑΟ του S είναι 5χ2=10 και του Cl- είναι 10χ1=10, δηλαδή είναι ίσες μεταξύ τους. Αν μιλήσουμε με βάση τα ηλεκτρόνια που αποβάλλονται στις ημιαντιδράσεις, από 5 μόρια SO2 φεύγουν 10 ηλεκτρόνια και από 10 ιόντα Cl- φεύγουν άλλα 10. Στην αλγεβρική μέθοδο, η συνολική μεταβολή του ΑΟ του S είναι 2χ2=4 ενώ του Cl είναι 6χ1=6 δηλαδή δεν είναι ίσες μεταξύ τους! Κι αυτό γιατί εδώ η αναλογία ατόμων S και Cl που οξειδώνονται δεν είναι 1:2 αλλά 1:3! Το μέγα ερώτημα λοιπόν για εμένα είναι αν αυτή η αναλογία 1:2 που “υπαγορεύει” η μέθοδος των ημιαντιδράσεων είναι οπωσδήποτε σωστή ή όχι. Και αν είναι αυτή, ποια η φυσική της σημασία; Γιατί δηλαδή πρέπει οπωσδήποτε να υπάρχει αυτή η αναλογία; Από που προκύπτει αυτό; Δεν μπορώ να δώσω απάντηση.
Ερωτήματα που μου έρχονται: 1. Μήπως η μέθοδος των ημιαντιδράσεων “χολένει” σε τέτοιες περιπτώσεις; Δηλαδή οδηγεί σε μια λύση μεταξύ πολλών;
2.Μήπως υπάρχει εξάρτηση από τα δυναμικά οξειδοαναγωγής και από τις συγκεντρώσεις των ουσιών;
3.Μήπως μπορούμε να το διερευνήσουμε πειραματικά;
Καλημέρα Θοδωρή.
Η μια ή άλλη μέθοδος δεν είναι παρά μια τεχνική.
Δεν μας λέει τίποτα ουσιαστικό για το τι ακριβώς συμβαίνει και ποιος είναι ο παράγοντας για να συμβεί αυτό ή το άλλο.
Η δική μου λογική είναι να πάμε μέσω της τάσης για οξείδωση του SO2 και του HCl, πράγμα που οδηγεί στα κανονικά δυναμικά οξειδοαναγωγής. Νομίζω ότι αυτά θα μας δείξουν πιο σώμα πρόκειται να οξειδωθεί ευκολότερα και άρα θα δώσει μεγαλύτερη αναλογικά ποσότητα.
Αν δούμε τον πίνακα κανονικών δυναμικών από εδώ, τότε βλέπουμε ότι για τα δύο αυτά αναγωγικά, ισχύουν:
Με βάση τις τιμές αυτές το SO2 έχει μεγαλύτερη τάση προς οξείδωση και θα οξειδωθεί πρώτο.
Με αυτή τη λογική επέλεξα την 2η εξίσωση, αφού κάθε mol ΚMnO4 οξειδώνει 1,25Mol SO2, ενώ σύμφωνα με την πρώτη εξίσωση η αναλογία είναι 1:1.
Βέβαια παραπάνω έγραψα και έναν δεύτερο λόγο και αυτός είναι (πόσα πιάτα…) οι συγκεντρώσεις. Πόσο ΗCl και πόσο SO2 έχουμε για μια ορισμένη ποσότητα υπερμαγγανικού; Έτσι με βάση τη στοιχειομετρία, στην πρώτη εξίσωση, ανά mol ΚMnO4 καταναλώνονται 6mol HCl στην 2η 5,5. Είναι αυτό που συνήθως λέμε γενικά ότι το αποτέλεσμα εξαρτάται από την τιμή του pH…
Διονύση και Θοδωρή καλημέρα. Ενδιαφέρουσες και οι προσεγγίσεις και οι προβληματισμοί. Η δική μου προσέγγιση είναι λίγο διαφορετική. Από τις δύο προηγούμενες αντιδράσεις προκύπτει ότι 2 μόρια KMnO4 οξειδώνουν 1 μόριο Cl2 και η ίδια αναλογία υπάρχει και με το SO2. Αυτές οι αναλογίες επιβάλλονται από τους αριθμούς οξείδωσης και δεν μπορούν να αλλάξουν. Στην περίπτωση λοιπόν των ημιαντιδράσεων ουσιαστικά εφαρμόζεται αυτή η αρχή. Το KMnO4 λαμβάνει το μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων και το Cl2 και το SO2 αποβάλλει τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων. Αυτή νομίζω θα είναι η οξειδοαναγωγική αντίδραση μεταξύ των παραπάνω ενώσεων. Οποιαδήποτε άλλη αναλογία, που ίσως σε πραγματικές συνθήκες μπορεί να υπάρξει, ουσιαστικά περιγράφουν τη “μερική” οξείδωση των SO2 και Cl2 από το KMnO4. Και όπως δείχνει η αλγεβρική προσέγγιση τέτοιες “μερικές” οξειδοαναγωγές μπορούν να είναι “άπειρες”.
Μια αναλογία του φαινομένου είναι η καύση. Αν έχουμε έναν υδρογονάνθρακα και τον κάψουμε, μπορούμε να πάρουμε ως προϊόντα και CΟ και CO2 σε ποικιλία αναλογιών. Ωστόσο, η πλήρης οξείδωση του υδρογονάνθρακα θα έχει ως προϊόν μόνο το CO2. Είναι η περίπτωση όπου ο υδρογονάνθρακας έχει “αποβάλλει” τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων και έχει μεταβεί στη νέα οξειδωτική κατάσταση.
Στη θεωρητική λοιπόν ερώτηση ποια είναι η αντίδραση οξειδοαναγωγής μεταξύ των παραπάνω, θεωρώ ότι η σωστή απάντηση είναι η δεύτερη.
Στην εργαστηριακή πράξη ωστόσο, τείνω να συμφωνήσω περισσότερο με τον Διονύση και την προσέγγιση των κανονικών δυναμικών οξειδοαναγωγής, αλλά και τις συνθήκες στις οποίες πραγματοποιείται ένα φαινόμενο.
Ωστόσο, τίποτε από τα παραπάνω δεν μπορώ να τεκμηριώσω από κάπου. Γι’ αυτό και έχω θέσει τον προβληματισμό.
Καλημέρα και πάλι Δημήτρη.
“Από τις δύο προηγούμενες αντιδράσεις προκύπτει ότι 2 μόρια KMnO4 οξειδώνουν 1 μόριο Cl2 και η ίδια αναλογία υπάρχει και με το SO2. “
Αναφέρεσαι φαντάζομαι στις δύο αντιδράσεις που το υπερμαγγανικό ανάγεται μόνο από το SO2 ή μόνο από το HCl, ή στην περίπτωση που αντιδρά ταυτόχρονα και με τα δύο αναγωγικά;
Να προσθέσω κάτι για την αλγεβρική μέθοδο προσδιορισμού των συντελεστών.
Στηρίζεται στη διατήρηση του αριθμού των ατόμων (τα άτομα είναι άφθαρτα…), χωρίς να υπεισέρχεται στην ουσία της αντίδρασης.
Είναι στη λογική απλά της αλλαγής θέσης( φύγε εσύ, έλα εσύ…), η οποία είναι μια χαρά σε μεταθετικές αντιδράσεις ή σε απλές περιπτώσεις αντιδράσεων.
Σε περιπτώσεις όπως η παραπάνω, θεωρώ ότι δεν λαμβάνει υπόψη του τι μπορεί να συμβαίνει.
Να πω εδώ, ότι μιλάμε για μικρόκοσμο και η τυχαιότητα καθορίζει την εξέλιξη των φαινομένων. Αλλά από αυτή την τυχαιότητα καταλήγουμε σε κάποιες βεβαιότητες σε μακροσκοπικό επίπεδο.
Παράδειγμα. Αν έχουμε ένα διάλυμα από ένα ισχυρό και ένα ασθενές οξύ στο οποίο προσθέτουμε μια βάση, π.χ. ΝαΟΗ, γράφουμε πρώτα αντίδραση εξουδετέρωσης με το ισχυρό οξύ και στη συνέχεια, αν περισσέψει βάση, αυτή θα εξουδετερώσει και το ασθενές οξύ.
Στην παραπάνω περίπτωση (ας μιλήσουμε με λογική μεταφοράς ηλεκτρονίων, κάνοντας την ανάλογη έκπτωση…), αν σήμερα βρισκόμουν σε μια τάξη και μου έθεταν το ερώτημα, θα έλεγα στους μαθητές, χωρίς προφανώς να μιλήσω για δυναμικά οξειδοαναγωγής:
Κάθε άτομο Mn του υπερμαγγανικού καλίου για να αναχθεί χρειάζεται να πάρει 5e. Από πού μπορεί να τα πάρει; Απέναντί του έχει άτομα S και Cl. Και τα δύο αυτά στοιχεία είναι ηλεκτραρνητικά με τάση να πάρουν ηλεκτρόνια, όχι να δώσουν. Αλλά το χλώριο ως πιο ηλεκτραρνητικό πολύ πιο δύσκολα θα δώσει ηλεκτρόνια, από ότι το θείο. Συνεπώς πρώτα το υπερμαγγανικό θα οξειδώσει το SO2 και στη συνέχεια, αν περισσέψει KMnO4 θα οξειδώσει τα ιόντα χλωρίου σε Cl2.
Από κει και πέρα οι αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων και οι αναλογίες μεταξύ τους θα παίξουν ουσιαστικό ρόλο στην τελική σύνθεση των προϊόντων…
Διονύση καλημέρα και πάλι. Πράγματι αναφέρομαι στις αντιδράσεις που κάνει μόνο με το HCl και μόνο με το SO2.
Να θέσω και έναν άλλο προβληματισμό. Με την αλγεβρική ισοστάθμιση, όπως φαίνεται στο συνοδευτικό αρχείο, μπορούμε να πάρουμε “άπειρους” συνδυασμούς συντελεστών. Οι τιμές που έδωσα είναι οι ελάχιστες δυνατές.
Γεννιέται το ερώτημα; Υπάρχει κάποιο όριο σε αυτούς του άπειρους συνδυασμούς; Μπορούμε να πάρουμε οποιουσδήποτε συνδυασμούς; Νομίζω ότι η απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα είναι οι συντελεστές με τη μέθοδο των ημιαντιδράσεων.
Αποτελούν μια οριακή τιμή (4:5:5) η οποία δεν μπορεί να ξεπεραστεί κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Με διάφορες ποσότητες KMnO4, HCl και SO2, μπορούμε να σχηματίσουμε μια εξίσωση που να απεικονίζει οποιαδήποτε αναλογία αντιδρώντων. Όμως σε καμία περίπτωση δεν μπορούμε να σχηματίσουμε χημική εξίσωση όπου η αναλογία π.χ. KMnO4, HCl και SO2 να είναι (5:5:5).