Reakcje redoks na maturze z chemii: stopnie utlenienia i równania

Dział zaczyna się od stopnia utlenienia, czyli umownego ładunku, jaki miałby atom, gdyby wszystkie wiązania w drobinie były jonowe. Do policzenia go w większości drobin wystarcza kilka reguł. Pierwiastek w stanie wolnym ma stopień zerowy, tlen w związkach ma zwykle minus dwa, a wodór plus jeden. Od tych reguł są wyjątki: w nadtlenkach tlen ma minus jeden, a w wodorkach metali wodór ma minus jeden. Suma stopni utlenienia w cząsteczce wynosi zero, a w jonie jest równa jego ładunkowi. Reakcja utleniania i redukcji to każda przemiana, w której stopnie utlenienia się zmieniają. Drobina oddająca elektrony utlenia się i pełni funkcję reduktora, a drobina, która je przyjmuje, redukuje się i jest utleniaczem. Oba procesy biegną zawsze razem, bo elektrony nie znikają: ile odda reduktor, tyle musi przyjąć utleniacz.

Najwięcej pracy wymaga uzgadnianie współczynników. W metodzie bilansu elektronowego rozpisuje się reakcję na dwa równania połówkowe, osobno dla utleniania i dla redukcji, a potem dobiera mnożniki tak, żeby liczba elektronów oddanych zrównała się z liczbą przyjętych. Dopiero wtedy obie połówki składa się w równanie sumaryczne. W zapisie jonowym dochodzi do tego środowisko reakcji. W roztworze kwasowym brakujący tlen i wodór uzupełnia się wodą i kationami wodoru, w zasadowym wodą i jonami wodorotlenkowymi. Środowisko decyduje też o produktach, bo ten sam utleniacz w kwasie daje często coś innego niż w roztworze obojętnym. Klasycznym przykładem jest manganian(VII) potasu: w kwasie redukuje się do kationów manganu(II), w środowisku obojętnym do tlenku manganu(IV), a w silnie zasadowym do jonów manganianowych(VI).

Osobna grupa zadań dotyczy pierwiastków na pośrednim stopniu utlenienia. Taki atom może jeszcze oddać elektrony albo je przyjąć, więc ta sama substancja bywa raz utleniaczem, a raz reduktorem, zależnie od partnera reakcji. Tę podwójną rolę dobrze widać na nadtlenku wodoru: z silnym utleniaczem sam utlenia się do tlenu, a z reduktorem sam się redukuje, w kwasie do wody. Tak samo zachowują się jony azotanowe(III) i siarczanowe(IV), bo azot i siarka mają w nich stopień leżący między najniższym a najwyższym. Szczególnym przypadkiem jest dysproporcjonowanie: jedna substancja jest w nim naraz utleniaczem i reduktorem, bo część atomów jednego pierwiastka się utlenia, a część redukuje. Bilans elektronów liczy się wtedy tak jak zwykle, tylko obie połówki dotyczą tego samego pierwiastka. Stosunek produktu utlenienia do produktu redukcji wynika z tego bilansu, a nie ze wzoru substratu, i to on wyznacza współczynniki w równaniu sumarycznym.

Reakcje redoks wracają też w innych częściach arkusza. Metale reagują z kwasami na dwa sposoby. Z kwasem solnym reagują tylko te aktywniejsze od wodoru, a z kwasem azotowym(V) albo stężonym kwasem siarkowym(VI) także część metali mniej aktywnych, bo utleniaczem jest wtedy anion kwasu, a nie kation wodoru. W chemii organicznej stopnie utlenienia liczy się dla atomów węgla, osobno dla każdego, bo w jednej cząsteczce bywają różne. Pozwala to zobaczyć, że droga od alkoholu pierwszorzędowego przez aldehyd do kwasu karboksylowego jest ciągiem utleniań, i ustalić, który reagent pełni w przemianie funkcję utleniacza. Na granicy z elektrochemią leżą zadania o tym, czy reakcja w ogóle zajdzie. Rozstrzyga o tym porównanie potencjałów standardowych dwóch par redoks.