Halbreaktion - Half-reaction
Eine Halbreaktion (oder Halbzellenreaktion) ist entweder die Oxidations- oder Reduktionsreaktionskomponente einer Redoxreaktion . Eine Halbreaktion erhält man durch Berücksichtigung der Änderung der Oxidationsstufen einzelner an der Redoxreaktion beteiligter Stoffe. Oft wird das Konzept der Halbreaktionen verwendet, um zu beschreiben, was in einer elektrochemischen Zelle , wie beispielsweise einer galvanischen Batterie, passiert . Halbreaktionen können geschrieben werden, um sowohl das Metall zu beschreiben, das einer Oxidation unterliegt (bekannt als Anode ) als auch das Metall, das einer Reduktion unterliegt (bekannt als die Kathode ).
Halbreaktionen werden oft als Methode zum Ausgleich von Redoxreaktionen verwendet. Für Oxidations-Reduktions-Reaktionen unter sauren Bedingungen muss man nach dem Ausgleich der Atome und Oxidationszahlen H + -Ionen hinzufügen , um die Wasserstoffionen in der Halbreaktion auszugleichen. Behandeln Sie bei Oxidations-Reduktions-Reaktionen unter basischen Bedingungen nach dem Ausgleichen der Atome und Oxidationszahlen diese zuerst als saure Lösung und fügen Sie dann OH – -Ionen hinzu, um die H + -Ionen in den Halbreaktionen auszugleichen (was H 2 O ergeben würde).
Beispiel: Zn und Cu Galvanische Zelle
Betrachten Sie die im nebenstehenden Bild gezeigte galvanische Zelle: Sie besteht aus einem Stück Zink (Zn), das in eine Lösung von Zinksulfat (ZnSO 4 ) getaucht ist, und einem Stück Kupfer (Cu), das in eine Lösung von Kupfer(II)-Sulfat getaucht ist (CuSO 4 ). Die Gesamtreaktion ist:
- Zn (s) + CuSO 4 (aq) → ZnSO 4 (aq) + Cu (s)
An der Zn-Anode findet eine Oxidation statt (das Metall verliert Elektronen). Dies wird in der folgenden Oxidationshalbreaktion dargestellt (beachten Sie, dass sich die Elektronen auf der Produktseite befinden):
- Zn(s) → Zn 2+ + 2e −
An der Cu-Kathode findet Reduktion statt (Elektronen werden akzeptiert). Dies wird in der folgenden Reduktionshalbreaktion dargestellt (beachten Sie, dass sich die Elektronen auf der Reaktantenseite befinden):
- Cu 2+ + 2e − → Cu(s)
Beispiel: Oxidation von Magnesium
Betrachten Sie das Beispiel Brennen von Magnesiumband (Mg). Wenn Magnesium verbrennt, verbindet es sich mit Sauerstoff (O 2 ) aus der Luft zu Magnesiumoxid (MgO) nach folgender Gleichung:
- 2mg (s) + O 2 (g) → 2MgO (e)
Magnesiumoxid ist eine ionische Verbindung, die Mg 2+ und O 2– -Ionen enthält, während Mg(s) und O 2 (g) Elemente ohne Ladungen sind. Das Mg(s) ohne Ladung erhält eine Ladung von +2 von der Reaktantenseite zur Produktseite, und das O 2 (g) ohne Ladung erhält eine Ladung von -2. Dies liegt daran, dass wenn Mg(s) zu Mg 2+ wird , es 2 Elektronen verliert. Da sich auf der linken Seite 2 Mg befinden, gehen insgesamt 4 Elektronen gemäß der folgenden Oxidations-Halbreaktion verloren:
- 2Mg(s) → 2Mg 2+ + 4e −
Auf der anderen Seite wurde O 2 reduziert: seine Oxidationsstufe geht von 0 auf -2. Somit kann für das O 2 eine Reduktionshalbreaktion geschrieben werden, da es 4 Elektronen aufnimmt:
- O 2 (g) + 4e − → 2O 2−
Die Gesamtreaktion ist die Summe beider Halbreaktionen:
- 2Mg(s) + O 2 (g) + 4e − →2Mg 2+ + 2O 2− + 4e −
Wenn eine chemische Reaktion, insbesondere eine Redoxreaktion, stattfindet, sehen wir die Elektronen nicht, wie sie erscheinen und im Laufe der Reaktion verschwinden. Was wir sehen, sind die Edukte (Ausgangsmaterial) und Endprodukte. Aus diesem Grund werden Elektronen, die auf beiden Seiten der Gleichung auftreten, aufgehoben. Nach dem Abbrechen wird die Gleichung umgeschrieben als
- 2Mg(s) + O 2 (g) →2Mg 2+ + 2O 2−
Auf der Produktseite existieren zwei Ionen, positiv (Mg 2+ ) und negativ (O 2− ), die sich aufgrund ihrer gegensätzlichen Ladungen (elektrostatische Anziehung) sofort zu einem zusammengesetzten Magnesiumoxid (MgO) verbinden. In jeder gegebenen Oxidations-Reduktions-Reaktion gibt es zwei Halbreaktionen – Oxidations-Halbreaktion und Reduktions-Halbreaktion. Die Summe dieser beiden Halbreaktionen ist die Oxidations-Reduktions-Reaktion.
Halbreaktions-Auswuchtmethode
Betrachten Sie die Reaktion unten:
- Cl 2 + 2Fe 2+ → 2Cl − + 2Fe 3+
Die beiden beteiligten Elemente Eisen und Chlor ändern jeweils den Oxidationszustand; Eisen von +2 bis +3, Chlor von 0 bis -1. Es gibt dann effektiv zwei Halbreaktionen auftreten. Diese Änderungen können in Formeln dargestellt werden, indem in jede Halbreaktion entsprechende Elektronen eingefügt werden:
- Fe 2+ → Fe 3+ + e −
- Cl 2 + 2e − → 2Cl −
Bei zwei Halbreaktionen ist es möglich, bei Kenntnis entsprechender Elektrodenpotentiale auf die gleiche Weise zur vollständigen (ursprünglichen) Reaktion zu gelangen. Die Zerlegung einer Reaktion in Halbreaktionen ist der Schlüssel zum Verständnis einer Vielzahl chemischer Prozesse. Beispielsweise kann in der obigen Reaktion gezeigt werden, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt, bei der Fe oxidiert und Cl reduziert wird. Beachten Sie den Elektronentransfer von Fe auf Cl. Die Zerlegung ist auch eine Möglichkeit, den Ausgleich einer chemischen Gleichung zu vereinfachen . Ein Chemiker kann einen Teil einer Gleichung nach dem anderen Atomausgleich und Ladungsausgleich durchführen.
Zum Beispiel:
- Fe 2+ → Fe 3+ + e − wird zu 2Fe 2+ → 2Fe 3+ + 2e −
- wird zu Cl 2 + 2e − → 2Cl − . hinzugefügt
- und wird schließlich Cl 2 + 2Fe 2+ → 2Cl − + 2Fe 3+
Es ist auch möglich und manchmal notwendig, eine Halbreaktion entweder unter basischen oder sauren Bedingungen in Betracht zu ziehen, da bei der Redoxreaktion ein saurer oder basischer Elektrolyt vorhanden sein kann . Aufgrund dieses Elektrolyten kann es schwieriger sein, das Gleichgewicht sowohl der Atome als auch der Ladungen zu gewährleisten. Dies geschieht durch Zugabe von H 2 O, OH – , e – und oder H + zu beiden Seiten der Reaktion, bis sowohl Atome als auch Ladungen ausgeglichen sind.
Betrachten Sie die folgende Halbreaktion:
- PbO 2 → PbO
OH − , H 2 O und e − können verwendet werden, um Ladungen und Atome unter basischen Bedingungen auszugleichen, solange angenommen wird, dass die Reaktion in Wasser stattfindet.
- 2e − + H 2 O + PbO 2 → PbO + 2OH −
Betrachten Sie wieder die folgende Halbreaktion:
- PbO 2 → PbO
H + , H 2 O und e − können verwendet werden, um Ladungen und Atome unter sauren Bedingungen auszugleichen, solange angenommen wird, dass die Reaktion in Wasser stattfindet.
- 2e − + 2H + + PbO 2 → PbO + H 2 O
Beachten Sie, dass beide Seiten sowohl ladungsausgeglichen als auch atomausgeglichen sind.
Häufig sind sowohl H + als auch OH − unter sauren und basischen Bedingungen vorhanden, aber die resultierende Reaktion der beiden Ionen ergibt Wasser H 2 O (siehe unten):
- H + + OH − → H 2 O