Oxidációs-redukciós (redoxi-) reakciók

A redoxireakció olyan kémiai reakció, amelyben két részecske között elektronátmenet játszódik le.

Akkor mondhatjuk, hogy elektronátmenet történt, amennyiben a reagensek és a termékek oxidációs számaiban változás következett be.

Redoxireakciók mindenhol jelen vannak! A tested az ételt és az oxigént redoxireakció során alakítja át energiává, vízzé és $\text {CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript-dá, amit aztán kilélegzünk. Az elektronikai eszközeidben lévő elemek szintén redoxireakciók alapján működnek, erről majd többet hallasz, amikor az elektrokémiát tanuljuk. Tudsz még példát mondani redoxireakcióra a környezetedben?

A redoxireakciókkal kapcsolatban van néhány fogalom, amelyekkel tisztában kell lenned. Az alábbi példa segítségével áttekintjük ezeket a fogalmakat.

Íme néhány megválaszolandó kérdés:

$1.~$1, point, space Redoxireakció-e ez a reakció, és miből tudhatjuk ezt?
$2.~$2, point, space Amennyiben ez redoxireakció, mi redukálódik és mi oxidálódik? $3.~$3, point, space Mi a redukálószer ebben a reakcióban?
$4.~$4, point, space Mi az oxidálószer ebben a reakcióban?

$1.$1, point Kérdés :
A fejezet címe alapján megtippelhetjük a választ a kérdés első felére. Igen, ez valószínűleg redoxireakció, de hogyan lehetünk benne biztosak? Ki kell mutatnunk, hogy elektronátmenet történt, méghozzá úgy, hogy megvizsgáljuk, van-e különbség a reagensek és termékek oxidációs számai között.

Ha meghatározzuk a kiindulási anyagok és termékek valamennyi atomjának oxidációs számát, az alábbiakat kapjuk:

Az oxidációs számok segítségével megválaszolhatjuk az $1.$1, point kérdés második felét, mert kimutathatjuk, hogy a szén és a vas oxidációs száma elektronátmenet következtében megváltozik a reakció során.

$2.$2, point Kérdés :
A szén oxidálódik, mivel elektront ad le, hiszen az oxidációs száma $0$0-ról $+4$plus, 4-re növekszik.
A vas redukálódik, mivel elektront vesz fel, amikor az oxidációs száma $+3$plus, 3-ról $0$0-ra csökken.

$3.$3, point Kérdés :
A redukálószer az a reagens, ami oxidálódik (és ezáltal valami mást redukál), így a $\text C(sz)$start text, C, end text, left parenthesis, s, z, right parenthesis a redukálószer.

$4.$4, point Kérdés :
Az oxidálószer az a reagens, ami redukálódik (és közben valami mást oxidál), vagyis a $\text{Fe}_2 \text O_3(sz)$start text, F, e, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, s, z, right parenthesis az oxidálószer.

Mivel a redoxireakciók a kémiai folyamatok egyik fontos csoportját alkotják, fel szeretnénk tudni ismerni őket. Van néhány speciális redoxireakció, amelyekkel jó, ha megismerkedsz. Mindegyik példánál tölts egy kis időt azzal, hogy kitalálod, mi redukálódik és mi oxidálódik!

Az égés valamely anyag és az oxigénmolekula ($\text O_2$start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript) között lejátszódó redoxireakció, melyben oxigéntartalmú termékek keletkeznek. Ha az egyik kiindulási anyag szénhidrogén, akkor a keletkező termékek a széndioxid és a víz.

Az alábbi reakció egy szénhidrogén, az oktán az égését mutatja be. Az oktán a benzin egyik összetevője és ez az égési reakció megy végbe a legtöbb autó motorjában:

$2.~$2, point, spaceDiszproporció

A diszproporció (vagy autooxidáció) során a reakcióban részt vevő egyetlen kiindulási anyag oxidálódik és redukálódik is. A következő reakció a hipoklorition, $\text{OCl}^-$start text, O, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, diszproporcióját mutatja:

Ha megvizsgáljuk a klór oxidációs számát, láthatjuk, hogy a kiindulási anyag, a $\text{OCl}^-$start text, O, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript $\text{ClO}_3^-$start text, C, l, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, minus, end superscript-tá oxidálódik (a klór oxidációs száma $+1$plus, 1-ről $+5$plus, 5-re nő). Ugyanakkor néhány $\text{OCl}^-$start text, O, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript molekulában $\text{Cl}^-$start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript-dá redukálódik (itt az oxidációs száma $+1$plus, 1-ről $-1$minus, 1-re csökken). Az oxigén oxidációs száma a $\text{OCl}^-$start text, O, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript és a $\text{ClO}_3^-$start text, C, l, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, minus, end superscript esetében is $-2$minus, 2, így az se nem oxidálódik, se nem redukálódik a reakcióban.

Az egyszerű helyettesítés (vagy egyszerű helyettesítési reakció) során egy elem elfoglalja egy másik elem helyét egy vegyületben. Például számos fém reagál híg savakkal, miközben só és hidrogéngáz képződik. A következő egyenlet azt mutatja, hogy a cink elfoglalja a hidrogén helyét a fémcink és a sósav között lejátszódó egyszerű helyettesítési reakcióban:

A redoxireakciókat felbonthatjuk redukciós és oxidációs félreakciókra. A kémikusok arra használják a félreakciókat, hogy az elektronátmeneteket könnyebben követhessék, illetve segítenek a redoxireakciók rendezésénél is. Írjuk fel a félreakciókat a redoxireakciók egy újabb példájánál:

Rendezve van a fenti egyenlet? Úgy tűnik, hogy az atomok száma rendben van: az egyenlet mindkét oldalán van $1\,\text {Al}$1, start text, A, l, end text atom és $1\,\text {Cu}$1, start text, C, u, end text atom. Azonban ha összeadjuk a töltéseket a kiindulási anyagok oldalán, $2+$2, plus töltést kapunk, ami nem egyenlő a termékek oldalán kapott $3+$3, plus töltéssel. Meg kell győződnünk arról, hogy az atomok száma és töltése valóban megegyezik! A félreakciók módszerét fogjuk használni a reakcióegyenlet rendezéséhez.

Redukciós félreakció: A redukciós félreakció a redukciós lépésben részt vevő kiindulási anyagokat és termékeket mutatja. Mivel a $\text {Cu}^{2+}$start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript redukálódik $\text{Cu}(sz)$start text, C, u, end text, left parenthesis, s, z, right parenthesis-zé, kezdhetnénk azzal, hogy felírjuk ezt a lépést:

Azonban ez nem a helyes félreakció, mert a töltések nem egyeznek meg az egyenlet két oldalán. A kiindulási anyag oldalán a nettó töltés $2+$2, plus, a termék oldalán $0$0. Kiegyenlíthetjük a töltésmérleget, ha feltüntetjük az elektronátmenetben részt vevő elektronokat, így ezzel megkapjuk a redukciós félegyenletet:

A rendezett félreakcióból láthatjuk, hogy minden egyes $\text{Cu}^{2+}$start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript $2 e^-$2, e, start superscript, minus, end superscript-t vesz fel, ahhoz, hogy $\text{Cu}^0$start text, C, u, end text, start superscript, 0, end superscript keletkezzen. De honnan vannak ezek az elektronok? Az oxidációs félreakcióban tovább követhetjük az elektronok útját.

Oxidációs félreakció: Az oxidációs félreakció az oxidációs lépésben részt vevő kiindulási anyagokat és termékeket mutatja. Ebben a reakcióban az $\text {Al}(sz)$start text, A, l, end text, left parenthesis, s, z, right parenthesis $\text {Al}^{3+}$start text, A, l, end text, start superscript, 3, plus, end superscript-ná oxidálódik, és most is meg kell arról győződnünk, hogy a töltésmérleg valóban rendben van.

Az oxidációs félreakcióban láthatjuk, hogy minden egyes $\text {Al}(sz)$start text, A, l, end text, left parenthesis, s, z, right parenthesis atom $3e^-$3, e, start superscript, minus, end superscript-t ad le ahhoz, hogy az $\text {Al}^{3+}$start text, A, l, end text, start superscript, 3, plus, end superscript keletkezzen.

Ahhoz, hogy megkapjuk a rendezett reakcióegyenletet, egyesítsük a két félreakciót, azonban még egy dolgot ellenőriznünk kell. Az elektronoknak ki kell esniük a rendezett reakcióegyenletből. Úgy is felfoghatjuk, hogy biztosítanunk kell hogy az oxidációs félreakcióban felszabaduló valamennyi elektron felhasználódjon a redukciós félreakcióban. Különben elektronok úszkálnának szabadon! Vagyis a két félreakcióban részt vevő elektronok számának meg kell egyeznie.

Megszorozhatjuk a redukciós félreakciót $3$3-mal és az oxidációs félreakciót $2$2-vel, így mindkét félreakcióban $6$6 elektron átadása történik:

Most, hogy azonos számú elektron van a két félreakcióban, összeadhatjuk őket, hogy megkapjuk a rendezett reakcióegyenletet:

Végezetül ellenőrizzük, hogy van-e olyan kiindulási anyag és termék, ami az egyenlet mindkét oldalán feltűnik. Mivel esetünkben nincs ilyen, készen vagyunk! A reakcióegyenletünk tömeg- és töltésmegmaradás szempontjából is rendezve van.

A redoxireakciókat felismerhetjük, ha ellenőrizzük, hogy történik-e oxidációs szám változás. A redoxireakciók felbonthatók egy oxidációs és egy redukciós félreakcióra. A félreakciók módszerét használva rendezhetjük a redoxireakciókat, ahol mind a tömeg-, mind a töltésmérlegnek rendben kell lennie. A redoxireakciók három gyakori típusa az égés, a bomlás és az egyszerű helyettesítési reakció.