Reakcje redoks

Utlenianie i redukcja

Niektóre reakcje chemiczne można sklasyfikować jako reakcje redukcji-utleniania lub reakcje redoks. Utlenianie to proces, w którym materia, taka jak atom lub cząsteczka jonowa, traci jeden lub więcej elektronów, a redukcja to proces, w którym materia zyskuje jeden lub więcej elektronów.

Stany utlenienia

Każdy atom w cząsteczce ma swój własny stopień utlenienia lub stopień utlenienia. Stopień utlenienia opisuje, jak utleniona jest cząsteczka w stosunku do jej wolnej formy pierwiastkowej. Stopień utlenienia jest wyrażony jako ładunek, jaki miałby atom, gdyby każde z jego wiązań z innymi pierwiastkami było czysto jonowe. Oznacza to, że elektrony w wiązaniu są przypisane do bardziej elektroujemnego atomu. Stopień utlenienia atomu w jego wolnej postaci pierwiastkowej definiuje się jako 0.

Istnieje kilka zasad, których przestrzega się w celu określenia stopnia utlenienia. Pierwiastki z grupy I i grupy II mają zazwyczaj stopnie utlenienia odpowiednio +1 i +2. Wodór i tlen mają zazwyczaj stopnie utlenienia odpowiednio +1 i -2, a halogeny mają zwykle stopień utlenienia -1. Ponadto stopnie utlenienia atomów w cząsteczce zawsze sumują się do ładunku cząsteczki. W ten sposób często można wywnioskować stopień utlenienia atomu, który nie został wymieniony powyżej. Weźmy na przykład dwutlenek węgla (CO_{2 ),} który jest cząsteczką obojętną. Jeśli każda z dwóch cząsteczek tlenu wnosi -2, stopień utlenienia węgla musi wynosić +4, aby zniwelować -4 z tlenu.

Aby uzyskać bardziej ogólne podejście, narysuj strukturę Lewisa cząsteczki, zidentyfikuj wiązania między różnymi atomami i przypisz każde wiązanie do bardziej elektroujemnego atomu. Następnie policz liczbę elektronów na każdym atomie, przy czym każde wiązanie wnosi dwa elektrony. Odejmij liczbę elektronów, które aktualnie znajdują się na atomie, od standardowej liczby elektronów walencyjnych dla tego atomu, aby uzyskać liczbę utlenienia.

Weźmy ponownie pod uwagę dwutlenek węgla. Każdy tlen ma dwie samotne pary elektronów i jest połączony z centralnym węglem podwójnym wiązaniem. Tlen jest bardziej elektroujemny niż węgiel, więc każde wiązanie C=O, które odpowiada za cztery elektrony, jest przypisane do tlenu. W ten sposób każdemu tlenowi przypisano łącznie osiem elektronów (cztery z samotnych par i cztery z wiązania podwójnego), a węglowi nie przypisano żadnego. Domyślna liczba elektronów walencyjnych tlenu wynosi sześć, więc liczba utlenienia dla każdego tlenu wynosi 6 – 8 = -2. Domyślna liczba elektronów walencyjnych dla węgla wynosi cztery, więc liczba utlenienia węgla wynosi 4 – 0 = +4.

Reakcje redoks

Nie wszystkie reakcje chemiczne są klasyfikowane jako reakcje redoks. Reakcja redoks to każda reakcja, w której następuje zmiana stopnia utlenienia atomu. Tak więc, aby sprawdzić, czy reakcja jest reakcją redoks, określ stopnie utlenienia każdego atomu w reagentach i produktach i poszukaj wszelkich zmian.

Wiele reakcji redoks polega na przeniesieniu elektronów bezpośrednio z jednej cząsteczki lub atomu do drugiej. W tych reakcjach, jeśli cząsteczka lub atom zyskuje elektron, inna cząsteczka lub atom musi stracić elektron. Jednym z prostych sposobów na zapamiętanie definicji utleniania i redukcji jest wyrażenie OIL-RIG, które oznacza: Oxidation Is Losing – Reduction Is Gaining.

Cząsteczka zyskująca elektron jest redukowana, ale nazywa się ją utleniaczem lub utleniaczem, ponieważ utlenia drugą cząsteczkę. Podobnie cząsteczka, która traci elektron, jest utleniana, ale nazywa się ją reduktorem lub środkiem redukującym, ponieważ redukuje drugą cząsteczkę.

Istnieją cztery główne typy reakcji, które zazwyczaj obejmują procesy redoks.

1. Reakcja pojedynczego przemieszczenia: Atom wypiera inny atom, który jest częścią związku, i zastępuje go.
2. Reakcja spalania: Związek jest redukowany przez silny utleniacz, zazwyczaj tlen gazowy. Reakcje spalania, które zachodzą między węglowodorami a związkami organicznymi, zazwyczaj wytwarzają dwutlenek węgla i wodę.
3. Reakcja syntezy: Dwa reagenty tworzą jeden produkt.
4. Reakcja rozkładu: Pojedynczy reagent rozpada się na dwa lub więcej produktów.

Odwołania

1. Harris, D. C. (2015). Ilościowa analiza chemiczna. Nowy Jork, NY: W. H. Freeman and Company.

Redoks, który jest skrótem od redukcji-utleniania, to rodzaj reakcji chemicznej klasyfikowanej przez transfer netto elektronów. W tej reakcji jedna cząsteczka traci elektrony, co nazywa się utlenianiem, a druga cząsteczka zyskuje elektrony, co nazywa się redukcją.

Aby ułatwić sobie rozróżnienie tych dwóch, pamiętaj o wyrażeniu "OIL-RIG", które oznacza "utlenianie to tracić, redukcja to zyskiwanie". Cząsteczka, która jest utleniona, nazywana jest środkiem redukującym, ponieważ redukuje drugi reagent. Podobnie cząsteczka, która jest zredukowana, nazywana jest środkiem utleniającym, ponieważ utlenia drugą cząsteczkę.

Teraz, gdy mamy już uporządkowaną terminologię, spójrzmy na przykład reakcji redoks, czyli tworzenia się mineralnego tlenku magnezu. Podczas reakcji każdy atom magnezu traci dwa elektrony. W ten sposób magnez ulega utlenieniu. Każdy atom tlenu zyskuje dwa elektrony; W ten sposób tlen jest redukowany.

Jednak nie wszystkie reakcje są reakcjami redoks. Na przykład reakcja tlenku wapnia z dwutlenkiem węgla w celu wytworzenia węglanu wapnia nie jest reakcją redoks. Jak więc możemy zidentyfikować reakcję redoks?

Aby to zrobić, śledzimy stopień utlenienia każdego pierwiastka w miarę jego przejścia od reagenta do produktu. Liczba utlenienia to hipotetyczny ładunek, jaki miałby atom, gdyby jego wiązania z różnymi pierwiastkami były jonowe, co oznacza, że elektrony są przypisane do bardziej elektroujemnego atomu. Suma stopni utlenienia w cząsteczce jest równa jej całkowitemu ładunkowi.

Wróćmy do tlenku magnezu. Jest to związek obojętny, więc suma stopni utlenienia magnezu i tlenu jest równa zero. Magnez może dać dwa elektrony, więc jego stopień utlenienia wynosi plus dwa. Tlen może przyjąć dwa elektrony, więc jego stopień utlenienia wynosi minus dwa.

A co z reakcją? Czyste neutralne związki elementarne mają stopień utlenienia równy zero. Tak więc zarówno magnez, jak i tlen zaczynają się od zerowych stopni utlenienia. Zarówno stopień utlenienia magnezu, jak i tlenu zmienił się podczas reakcji, więc jest to reakcja redoks.

Spójrzmy teraz na reakcję węglanu wapnia, którą widzieliśmy wcześniej. Oba reagenty są obojętne, więc suma stopni utlenienia dla obu związków wynosi zero. Jak widzieliśmy w przypadku tlenku magnezu, wapń ma stopień utlenienia plus dwa, a tlen minus dwa. Następnie węgiel w cząsteczce dwutlenku węgla ma stopień utlenienia plus cztery, a każdy tlen minus dwa.

A co z produktem? Wapń to plus dwa, a węgiel plus cztery, tak jak w reagentach. Każdy tlen ma wartość minus dwa, co daje w sumie minus sześć, przy liczbie utlenienia netto zerowej. Ponieważ żaden ze stopni utlenienia nie uległ zmianie, nie jest to reakcja redoks.

Przedstawmy teraz cztery rodzaje reakcji redoks. Pierwszą z nich jest reakcja pojedynczego przemieszczenia, w której jeden atom wypiera drugi. Zobaczysz to w reakcji termitu, w której jeden metal jest redukowany, a drugi metal jest utleniany.

Kolejnym typem jest reakcja spalania, która zachodzi między paliwem a utleniaczem w celu wytworzenia produktów utlenionych i ciepła. Widać to w laboratorium podczas spalania metanu z tlenem przy użyciu palnika Bunsena.

Trzecia to reakcja syntezy, w której dwa reagenty łączą się, tworząc jeden produkt, jak w syntezie amoniaku, gdzie azot łączy się z wodorem, tworząc amoniak.

Wreszcie czwarty typ to reakcja rozkładu, w której reagent pochłania wystarczającą ilość energii, aby zerwać swoje wiązania, tworząc mniejsze związki. Tak dzieje się z fajerwerkami, w których chloran potasu po podgrzaniu rozkłada się na chlorek potasu i tlen.

W tym laboratorium wykonasz i zidentyfikujesz różne rodzaje reakcji redoks, które przekształcają stałą miedź w tlenek miedzi, a następnie z powrotem w stałą miedź.