Rozwiązanie – Zadanie 5.1
Analiza stopni utlenienia
Przed napisaniem równań połówkowych należy ustalić stopnie utlenienia pierwiastków zmieniających wartościowość.
-
Jod w $\text{IO}_3^-$: stopień utlenienia $x + 3\cdot(-2) = -1$, zatem $x = +5$
-
Jod w $\text{I}_2$: stopień utlenienia $= 0$
-
Jod w $\text{ICl}_3$: stopień utlenienia $x + 3\cdot(-1) = 0$, zatem $x = +3$
Wnioski:
- Jod z $\text{IO}_3^-$: $+5 \rightarrow +3$ — redukcja (pobranie elektronów)
- Jod z $\text{I}_2$: $0 \rightarrow +3$ — utlenianie (oddawanie elektronów)
Krok 1 – Równanie połówkowe redukcji
Redukcji ulega jon $\text{IO}_3^-$, który przechodzi w $\text{ICl}_3$. Środowisko reakcji jest kwaśne (obecność $\text{H}^+$).
Bilans atomów jodu: po 1 atomie jodu po obu stronach – spełniony.
Bilans atomów chloru: w produkcie $\text{ICl}_3$ są 3 atomy Cl, które pochodzą z $\text{Cl}^-$:
$$\text{IO}_3^- + 3\,\text{Cl}^- \rightarrow \text{ICl}_3$$
Bilans atomów tlenu: po lewej 3 atomy O – w środowisku kwaśnym wiążemy je jonami $\text{H}^+$, tworząc $\text{H}_2\text{O}$:
$$\text{IO}_3^- + 3\,\text{Cl}^- + 6\,\text{H}^+ \rightarrow \text{ICl}_3 + 3\,\text{H}_2\text{O}$$
Bilans ładunku:
- Strona lewa: $(-1) + 3\cdot(-1) + 6\cdot(+1) = -1 - 3 + 6 = +2$
- Strona prawa: $0 + 0 = 0$
Różnica ładunków: $+2 - 0 = +2$ — należy dopisać $2e^-$ po lewej stronie (redukcja = pobieranie elektronów):
Równanie połówkowe redukcji:
$$\boxed{\text{IO}_3^- + 3\,\text{Cl}^- + 6\,\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{ICl}_3 + 3\,\text{H}_2\text{O}}$$
Krok 2 – Równanie połówkowe utleniania
Utlenieniu ulega $\text{I}_2$ ($0 \rightarrow +3$), każdy atom jodu traci 3 elektrony, a cząsteczka $\text{I}_2$ zawiera 2 atomy jodu:
$$\text{I}_2 + 6\,\text{Cl}^- \rightarrow 2\,\text{ICl}_3 + 6e^-$$
Sprawdzenie ładunku: lewa: $6\cdot(-1) = -6$; prawa: $0 + (-6) = -6$ ✓
Krok 3 – Bilans elektronowy (ustalenie współczynników)
Liczba oddawanych i pobieranych elektronów musi być równa:
- Redukcja: $2e^-$ na jeden $\text{IO}_3^-$
- Utlenianie: $6e^-$ na jeden $\text{I}_2$
NWW(2, 6) = 6, zatem mnożymy:
- równanie redukcji $\times\, 3$: aby po lewej było $6e^-$
- równanie utleniania $\times\, 1$: już $6e^-$
$$3\times\bigl(\text{IO}_3^- + 3\,\text{Cl}^- + 6\,\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{ICl}_3 + 3\,\text{H}_2\text{O}\bigr)$$
$$1\times\bigl(\text{I}_2 + 6\,\text{Cl}^- \rightarrow 2\,\text{ICl}_3 + 6e^-\bigr)$$
Krok 4 – Zsumowanie równań połówkowych
Po dodaniu obu równań (elektrony się znoszą):
$$3\,\text{IO}_3^- + 9\,\text{Cl}^- + 18\,\text{H}^+ + \text{I}_2 + 6\,\text{Cl}^- \rightarrow 3\,\text{ICl}_3 + 9\,\text{H}_2\text{O} + 2\,\text{ICl}_3$$
Upraszczamy (łączymy $\text{Cl}^-$: $9+6=15$; łączymy $\text{ICl}_3$: $3+2=5$):
$$3\,\text{IO}_3^- + \text{I}_2 + 18\,\text{H}^+ + 15\,\text{Cl}^- \rightarrow 5\,\text{ICl}_3 + 9\,\text{H}_2\text{O}$$
Wynik końcowy
Równanie połówkowe redukcji (zapis jonowo-elektronowy):
$$\boxed{\text{IO}_3^- + 3\,\text{Cl}^- + 6\,\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{ICl}_3 + 3\,\text{H}_2\text{O}}$$
Uzupełnione współczynniki stechiometryczne:
$$\boxed{3\;\text{IO}_3^- + 1\;\text{I}_2 + 18\;\text{H}^+ + 15\;\text{Cl}^- \rightarrow 5\;\text{ICl}_3 + 9\;\text{H}_2\text{O}}$$