Oxidáció és redukció

Gondolkodjunk el a nátrium-klorid szerkezetén. Ha megnézzük a periódusos rendszert, a nátrium láthatóan az 1. főcsoport eleme, egy alkálifém. Egy vegyértékelektronja van. Az elektronegativitása nem túl nagy. A periódusos rendszer bal oldalán van. Az elektronegativitás általában nő, ha a periódusos rendszerben jobbra, illetve fölfelé haladunk. Tehát ezek az elemek itt általában inkább megtartják az elektronokat. Ezek itt pedig általában könnyen leadják az elektronokat. Ezek elektropozitívak, ezek elektronegatívak. A nátrium itt az egyetlen vegyértékelektronjával kiválóan alkalmas elektronleadásra. A periódusos rendszer másik szélén itt találjuk a klórt. Ez a 7. főcsoport eleme, egy halogén. Eszerint könnyen felvehet egy elektront, mert így elérheti a mágikus nyolc vegyértékelektront. Nagyon elektronegatív. Mit gondolsz, mi történhet, ha ez a két elem kölcsönhatásba lép egymással? A klór magához ragadja a nátrium plusz elektronját, és kloridanionná alakul. A nátriumból pedig nátriumkation lesz. A kation a pozitív ion, az anion pedig a negatív ion. Ez a nátrium tehát itt most egy pozitív, a klorid pedig egy negatív ion. Ezek természetesen vonzani fogják egymást, azaz ionkötés alakul ki közöttük. Ez itt tehát egy ionkötés. Most gondoljunk valami nem ionos anyagra, ahol az elektronok nem mennek át teljesen az egyik atomról a másikra, hanem az atomok megosztoznak azokon. Az egyik legismertebb példa a víz. Tudjuk, hogy a víz képlete H₂O. Minden vízmolekulában egy oxigénatom kapcsolódik két hidrogénatomhoz. Ebben az esetben mindkét kötés kovalens. Mindkét kötésben egy elektronpáron osztozik a hidrogén- és az oxigénatom. De azt is tudjuk, hogy nem egyenlően osztoznak az elektronokon. Ha ránézünk a periódusos rendszerre, láthatjuk, hogy az oxigén jóval elektronegatívabb a hidrogénnél. Emiatt a két kötés elektronjai inkább az oxigénatom körül tartózkodnak, mint a hidrogénatomok körül. Láttunk ilyent korábban is. Ez a vízmolekula oxigén felőli végén egy kis negatív töltéstöbbletet eredményez. Ezt jelenti ez a kis görög delta betű. Ezzel jelöljük a részleges negatív töltést. A molekula hidrogének felé eső oldalán pedig következésképpen részleges pozitív töltés lesz. Ez a molekula tehát ilyen a valóságban. De ahogy majd későbbi videókban látni fogjuk, ezek a részleges töltések néha túl bonyolult magyarázatot adnak. Amit most bemutatok, az tulajdonképpen csak egy gondolati konstrukció. Egy olyan megállapodás, amit a vegyészek arra találtak ki, hogy könnyű legyen átlátni sok reakciót, és egyszerűen értelmezni, hogyan is történnek azok. Ez az értelmezési ötlet az, amit oxidációs számnak neveznek. Mi is az oxidációs szám? Ha egy adott kötés kovalens, mondhatjuk, hogy igen, értjük, itt részleges töltések vannak, ezek kovalens kötések, az elektronok pedig közösek. De ha ez nem tetszik, elgondolhatjuk azt is: mi volna, ha ezeket ionkötéseknek tekintenénk? Azt mondjuk, hogy ha ezek ionos kötések lennének, akkor az oxigén magához venné ezeket az elektronpárokat. Így az oxigénnek két teljes negatív töltése volna, -2-es töltése. A hidrogének pedig +1-es töltésűek lennének. Ha tehát le akarnánk írni a H₂O molekulában az oxidációs állapotokat, azt mondhatnánk, hogy az oxigén oxidációs száma -2, a hidrogének oxidációs száma pedig +1. Figyeld meg, hogy a molekula semleges, és ezek is pont semlegesítik egymást. +1, +1, az összesen +2, és van még -2. Ezek összege zérus. Az előjelet mindig a szám után írjuk. Ha +1-es oxidációs állapotot akarok írni, akkor azt 1+-nak írom, bár megállapodás szerint csak a + jel is ugyanazt jelenti. Ez csak egy konvenció, hogy a jelet a szám után írjuk, amikor iontöltést vagy oxidációs számot (azaz csak egy elképzelt iontöltést) írunk. Ha tényleg föl kellene tennünk, hogy ezek nem kovalens, hanem ionos kötések... még egyszer hangsúlyozom: a valóságban ezek kovalens kötések. Ezek részleges töltések, az oxidációs szám csak egy gondolati konstrukció, ami arra kényszerít, hogy úgy tegyünk, mintha ezek ionkötések lennének. Azt mondhatnánk, hogy ennek itt van is van értelme: ebben van oxigén, ezért nevezik oxidációs számnak. Így értelmeztem ezt én is, mikor először tanultam róla. Mondhatjuk, hogy rendben, a hidrogének mindketten átadtak egy elektront az oxigénnek. Van értelme azt mondani, hogy a hidrogének oxidálódtak, oxidálta őket az oxigén. Van értelme annak, hogy az oxigén valami mást oxidál. A töltést elvitte az oxigén, így ez oxidálódott. Az oxidálódás ellentéte a redukálódás. A szó abból ered, hogy az oxigénvegyületek tömege csökken („redukálódik”). Mondhatjuk azt is, hogy az oxigént redukálták a hidrogének. Ez afelé terel, hogy azt mondjuk, mindig valahogy szerepelnie kell ebben az oxigénnek, hiszen ugyanúgy kezdődik a szó. Ez viszont már nem igaz. Tekintsük példaként a hidrogén-fluorid vizes oldatát. Egy hidrogénatom kapcsolódik kovalensen egy fluoratomhoz. Hasonlóan a vizes példa oxigénjéhez, a fluor is az egyik legelektronegatívabb elem. Emiatt kisajátítja a kovalens kötés elektronjait. Ezért részleges negatív töltése lesz. A hidrogénnek pedig részleges pozitív töltése. Ha viszont oxidációs számokban gondolkodunk, azaz a szükség úgy hozza, hogya ennek ionos kötésnek kellene lennie kovalens helyett, akkor mennyi lenne ezeknek az atomoknak a töltése? Ebben az esetben a hidrogén vesztene egy elektront, azaz teljes egészében +1 lenne a töltése. A fluor pedig kapna egy elektront, azaz teljes egészében -1 lenne a töltése. Ezt csak mi képzeljük! A valóságban ezek részleges töltések. Ez egy kovalens kötés. Itt azonban egy teljes pozitív töltést feltételezünk, itt pedig egy negatívat. Ezért azt mondjuk, hogy ebben a molekulában a hidrogén oxidációs száma +1, a fluor oxidációs száma pedig -1. Azt mondjuk, hogy a hidrogén oxidálódott, valamint azt is, hogy a fluor oxidálta. És azt is mondjuk, hogy a fluor, mivel a feltételezett iontöltése csökkent, ezért redukálódott. Most eszedbe juthat, hogy itt az „oxidálta” szót használtuk, pedig nincs is itt oxigén. De gondolj arra, ha valaki azt mondaná, hogy valaki Bernie Madoffolt téged, az nem feltétlenül jelenti azt, hogy dolgod is volt Bernie Madoffal. Csak azt jelenti, hogy valaki azt tette veled, amit Bernie Madoff tett volna. Valaki elvette a pénzedet, azt mondta, hogy be fogja fektetni, mégis egy piramisjátékba tette. Ha ez nem is Bernie Madoff volt, mondhatod, hogy Madoffoltak téged. Szóval itt a fluor azt tette a hidrogénnel, amit az oxigén szokott. Elvett egy elektront tőle. Oxidálta a hidrogént. Nekem így könnyebb megjegyezni. Ha valami oxidálódik, az elektront veszít. Úgy gondolok erre, hogy ez az, amit az oxigén tenne. Az oxigén elektronegativitása nagyon nagy. Általában elvesz elektronokat másoktól. Más emlékeztetők is vannak arra, hogy melyik lépés az oxidáció és melyik a redukció. Megmutatom ezeket, mert segítségedre lehetnek, sokszor használják kémiaórákon. [Amit majd most mond, annak csak angolul van értelme,] [de lehet magyarul is kitalálni hasonlót.] [Aki ismeri a Leo és Fred című rajzfilmet,] [annak könnyű megjegyezni:] [elektronLEadás: Oxidáció (itt a LEO), elektronFelvétel: REDukció (itt a fRED).]