Istota reakcji redoks i stopień utlenienia

Istota reakcji redoks

Uważam, że najwięcej umiejętności nabierzesz w praktyce, a zaśmiecanie tekstu setkami wzorów tego nie zmieni. Dlatego, w niniejszym fragmencie będę trzymać się owej zasady. Niemniej jednak zobowiązany jestem nakreślić Ci kontury, wedle których samodzielnie uporasz się z każdym równaniem redoks. Zacznę od wyjaśnienia tego, czym w ogóle jest reakcja tego typu. Nazwałbym ją reakcją chemiczną, w której oprócz wymiany atomów, dochodzi do transakcji opartych na elektronach. Utleniaczem jest substancja, która odbiera ujemnie naładowane cząstki elementarne, z kolei ich biorca jest reduktorem. Ponadto, utleniacz obniżając swój ogólny ładunek ulega redukcji, natomiast reduktor podnosząc go, utlenia się. Po raz kolejny w chemii górę bierze reguła opierająca się na przeciwieństwach.

Ten transfer elektronów można uchwycić i wykorzystać do pracy. Przykładem są przenośne źródła energii – akumulatory. Kiedy pracują dochodzi do reakcji redoks, ale obecny w niej przepływ elektronów zostaje zorganizowany przez zewnętrzny przewodnik, a jak Ci zapewne wiadomo, prąd to uporządkowany ruch ładunków (w tym elektronów). W momencie ładowania akumulatora zewnętrzne źródło energii elektrycznej wymusza reakcję w przeciwnym kierunku.

Nawet jeżeli przepływ elektronów odbędzie się lokalnie pomiędzy substratami, to i tak nie pozostanie bez echa. Reakcje redoks, które przebiegają spontanicznie, często są także egzoenergetyczne – nieustanna wymiana elektronów manifestuje się w postaci ciepła. Nie chcę dalej brnąć w ten temat – połączenie utleniania i redukcji z chemią fizyczną to mieszanka dosyć trudna na poziomie szkoły średniej. Chodzi mi bardziej o intuicyjne zrozumienie. Popatrz chociażby na taki zestaw reakcji. Sód w wodzie topi się, a pod wpływem temperatury wodór przezeń wydzielany ulega zapłonowi; ogólnie każde spalanie to proces redoks. Eksplozje materiałów wybuchowych również wiążą się ze zmianą stopnia utlenienia. Proces utleniania biologicznego cukrów odbywający się w mitochondriach, łączy się z akumulacją energii w postaci uniwersalnego przenośnika, kolokwialnie – waluty energetycznej, czyli ATP. Redoks to moc, znacznie większa, niż ta, którą dysponują reakcje jonowe odbywające się w roztworze wodnym.

Stopień utlenienia

Załóżmy, że przyda się na coś znajomość liczby elektronów, które uległy wymianie podczas tych reakcji. Czy da się do niej dojść inaczej, jak poprzez rysowanie wzorów i skrupulatne liczenie ujemnie naładowanych cząstek elementarnych? Oczywiście! W tym celu powstało pojęcie stopnia utlenienia. Jeżeli przyjmę, że każde wiązanie w cząsteczce jest jonowe, czyli atomy potraktuję jako kationy i aniony, to ładunek przez nie posiadany będzie wymienionym wcześniej stopniem. Cząsteczki obojętne sumę hipotetycznych ładunków wszystkich atomów muszą mieć równą zero a złożone (czyli pochodzące od cząsteczek) aniony lub kationy równą swojemu ładunkowi. Podczas reakcji spadek stopnia utlenienia wiąże się z pobranie elektronów, czyli redukcją, utlenianie natomiast manifestuje się poprzez jego wzrost, spowodowany utratą ujemnie naładowanych cząstek.

Powyższa teoria może na pierwszy rzut oka być trudna do zrozumienia. Podejdź do tego inaczej, zapamiętując podstawowe stopnie utlenienia dla wybranych atomów. Po pierwsze, każdy czysty pierwiastek, zarówno w postaci atomowej (Na , Cl, Al) jak również cząsteczkowej (O2 ,P4 ) posiada stopień utlenienia równy zero. Do tego metale w związkach prawie zawsze mają ładunek większy od zera. Stopień utlenienia wodoru jest równy I (chyba, że mowa o wodorkach metali, tam przyjmuje wartość -I). Tlen otrzymuje niemal zawsze -II, poza nadtlenkami (jak chociażby H2O2) kiedy należy przyjąć -I, oraz związkiem takim jak fluorek tlenu – OF2 , gdzie fluor posiada stopień równy -I, podobnie jak w każdym innym związku. Zgodnie ze wspomnianą regułą, ich suma musi być równa ładunkowi cząsteczki, czyli w tym wypadku zero. Dlatego, jeżeli za dwa fluory wyjdzie łącznie -II, to tlen musi mieć stopień +II. Wyjątek potwierdzający regułę.

Generalnie, w większości przypadków będzie Ci wystarczyć znajomość powyższych zasad, gdyż oprócz wodoru i tlenu w wielu substancjach uświadczysz tylko jeden pierwiastek. Nieco zamieszania mogą spowodować metale, na przykład w solach. Aczkolwiek przy wykorzystaniu tabeli rozpuszczalności możesz śmiało poznać ładunek kationu a, co za tym idzie – stopień utlenienia. Weźmy dla przykładu dichromian potasu o wzorze K2CR2O7 . Na samym początku należy stwierdzić, że jest to sól, w której kationem jest K+ , mający ładunek (a zatem także stopień utlenienia) równy +I. Tlen będzie standardowo posiadać -II. Wystarczy ułożyć równanie:

Zatem chrom w owym związku miałby stopień utlenienia VI+.

Z jonami może być jeszcze prościej, dla przykładu weźmy anion manganianowy o wzorze MnO4, dla którego wyrażenie przyjmie postać:

Stąd pełna nazwa jonu – manganianowy (VII).

Umiejętności dokładnego wyznaczania stopni utlenienia jest do wytrenowania. Zanim przystąpisz do dalszej nauki upewnij się, że posiadasz w niej dostateczną biegłość. 

Zobacz więcej

Woda jako źródło życia

Owocem reakcji pierwiastków ze sobą nawzajem są związki chemiczne. Spośród całego repertuaru możliwych do wykorzystania substancji to woda okazała się swego rodzaju starterem, który zainicjował

Zobacz więcej »