Elmélet · Általános kémia · Redoxireakciók

Redoxireakciók

A redoxireakciók lényege az elektronátmenet: az egyik részecske elektront ad le (oxidálódik), a másik felveszi (redukálódik) — és a kettő mindig egyszerre történik. Megnézzük az oxidációs számot, a redoxiegyenletek rendezését, és a vizes oldatban végbemenő egyéb reakciókat is.

oxidáció–redukció oxidálószer / redukálószer oxidációs szám egyenletrendezés csapadék / gáz / komplex

A) Az elektronátmenet

01

Oxidáció és redukció

A redoxireakciók a kémia egyik legfontosabb reakciócsaládját alkotják: idetartozik az égés, a légzés, a fémek korróziója, az elemek és akkumulátorok működése, az elektrolízis — mindezek lényege ugyanaz, az elektronok átadása egyik részecskéről a másikra.

Oxidáció

Elektronleadás. A részecske egy vagy több elektront ad le; közben az oxidációs száma nő.

Redukció

Elektronfelvétel. A részecske egy vagy több elektront vesz fel; közben az oxidációs száma csökken.

💡
Memóriafogás — „LEO GER": Lose Electrons = Oxidation (elektronleadás = oxidáció), Gain Electrons = Reduction (elektronfelvétel = redukció).
Redoxireakció

Olyan reakció, amelyben az oxidáció és a redukció egyszerre játszódik le: a leadott elektronokat egy másik részecske felveszi. Önmagában sem oxidáció, sem redukció nem mehet végbe — mindig párban történnek, mert a leadott elektronoknak „máshová kell kerülniük".

Példa: cink a réz(II)-szulfát oldatában

Ha cinklemezt teszünk réz(II)-szulfát-oldatba, a cink lassan feloldódik, a felületén vörös rézbevonat válik ki, és közben az oldat kék színe halványul. Bontsuk fel a folyamatot a két félreakcióra:

oxidáció  Zn → Zn2+ + 2 e−
redukció  Cu2+ + 2 e− → Cu

A két félreakciót összeadva (a 2 elektron mindkét oldalon kiesik) megkapjuk a teljes redoxiegyenletet:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

A cink elektronokat ad le (oxidálódik), a réz(II)-ion ugyanezeket az elektronokat felveszi (redukálódik). A két e− nem lebeg „szabadon": ami a cinkről távozik, az pontosan a rézionra kerül.

Elektronátmenet: Zn → Cu²⁺ (animált)
Zn cinkatom Cu2+ réz(II)-ion 2 e⁻ oxidálódik → Zn2+ redukálódik → Cu az elektronok a cinkről a rézionra vándorolnak
A sárga gömbök a vándorló elektronok. A cink elektront veszít (oxidáció), a réz(II)-ion ugyanannyit nyer (redukció) — a kettő egyszerre, ugyanazokkal az elektronokkal történik.

02

Oxidálószer és redukálószer

Mivel a redoxiban két szereplő van, mindkettőnek külön nevet adunk — annak alapján, hogy mit tesznek a másikkal:

Oxidálószer

Elektront felvevő anyag: a reakciópartnerét oxidálja. Eközben maga redukálódik (felveszi az elektronokat, az oxidációs száma csökken).

Redukálószer

Elektront leadó anyag: a reakciópartnerét redukálja. Eközben maga oxidálódik (leadja az elektronokat, az oxidációs száma nő).

⚠️
Vigyázz a látszólagos ellentmondásra: az oxidálószer maga redukálódik, a redukálószer maga oxidálódik. A „-szer" név mindig arra utal, mit tesz a másikkal, nem önmagával.
Ki ad, ki kap? — a két szerep
REDUKÁLÓSZER leadja az e⁻-t → maga oxidálódik ox. szám: nő ↑ OXIDÁLÓSZER felveszi az e⁻-t → maga redukálódik ox. szám: csökken ↓ e⁻
Az elektron a redukálószertől az oxidálószer felé halad. A redukálószer oxidálódik, az oxidálószer redukálódik.

A szerep a reakciópartnertől függhet

Ugyanaz az anyag az egyik reakcióban redukálószer, a másikban oxidálószer lehet — attól függ, kivel reagál. Klasszikus példa a kén-dioxid (SO2), amelyben a kén oxidációs száma +4, így „még tud nőni" (redukálószerként) és „még tud csökkenni" (oxidálószerként) is:

SO₂ mint redukálószer  SO2 + I2 + 2 H2O → 2 HI + H2SO4

Itt a kén +4 → +6 (oxidálódik), a jód 0 → −1 (redukálódik). A kén-dioxid a jódot redukálja, tehát redukálószer.

SO₂ mint oxidálószer  SO2 + 2 H2S → 3 S + 2 H2O

Itt a SO2 kénje +4 → 0 (redukálódik), a H2S kénje −2 → 0 (oxidálódik). A kén-dioxid a kén-hidrogént oxidálja, tehát oxidálószer.

Gyakori oxidálószerek és redukálószerek

JellemzőkTipikus képviselők
Jó oxidálószerek könnyen vesznek fel elektront (maguk redukálódnak); a nemfémek közül a nagy elektronegativitásúak az erősek F2 > Cl2 > Br2 > I2 (csökkenő erősség), O2, tömény HNO3, KMnO4, K2Cr2O7
Jó redukálószerek könnyen adnak le elektront (maguk oxidálódnak); jellemzően a kis elektronegativitású elemek alkáli- és alkáliföldfémek, H2, C, sok fém
🔎
A halogének oxidálóereje a csoportban lefelé csökken (F2 a legerősebb). Ezért tudja pl. a klórgáz a bromidból a brómot, a jodidból a jódot kiszorítani — az erősebb oxidálószer „elveszi" az elektront a gyengébb partner ionjától.

B) Oxidációs szám és egyenletrendezés

03

Az oxidációs szám

Ahhoz, hogy egy bonyolultabb reakciónál is meg tudjuk mondani, ki oxidálódik és ki redukálódik, egy „könyvelő" eszközre van szükségünk. Ez az oxidációs szám.

Oxidációs szám

Egy atom valódi vagy névleges töltése: az a töltés, amely akkor adódik, ha a kötő elektronpárokat gondolatban teljesen a nagyobb elektronegativitású atomhoz rendeljük (az azonos atomok közti kötés elektronpárját egyenlően osztjuk el).

Kiszámítási szabályok

  1. Az elemek atomjainak oxidációs száma 0 (pl. Na, O2, Cl2, P4).
  2. Az egyszerű ion oxidációs száma = az ion töltése (pl. Na+ → +1, Cl− → −1, S2− → −2).
  3. A hidrogén oxidációs száma általában +1 (kivétel a fémhidridek, pl. NaH, ahol −1).
  4. Az oxigén oxidációs száma általában −2 (kivétel a peroxidok, pl. H2O2, ahol −1; az OF2-ben pedig +2).
  5. A fluor oxidációs száma mindig −1 (a legnagyobb elektronegativitású elem).
  6. Egy molekulában (semleges vegyületben) az oxidációs számok — az indexszel szorzott — összege 0.
  7. Összetett ionban az oxidációs számok összege = az ion töltése.

Kidolgozott példák

H₂O:   2·(+1) + (−2) = 0   ✓  (H: +1, O: −2)
H₂SO₄:   2·(+1) + S + 4·(−2) = 0   →   S = +6
NH₄⁺:   N + 4·(+1) = +1   →   N = −3
KMnO₄:   (+1) + Mn + 4·(−2) = 0   →   Mn = +7
Cr₂O₇²⁻:   2·Cr + 7·(−2) = −2   →   Cr = +6

Próbáld ki! — oxidációsszám-számoló

Válassz egy vegyületet vagy iont. Megmutatjuk az egyes atomok oxidációs számát és a hozzá tartozó számítást is.

🧭
Az oxidációs számot a vegyjel fölé írjuk, mindig előjellel (pl. +6), hogy ne keverjük össze a töltéssel (azt a felső indexbe, „mennyiség + előjel" sorrendben írjuk, pl. SO42−).

04

Felismerés oxidációs szám alapján

Most már egyszerű eldönteni, ki mit csinál egy reakcióban. Csak az oxidációs szám változását kell figyelni:

🔑
Aki oxidálódik, annak az oxidációs száma nő (elektront ad le).  Aki redukálódik, annak az oxidációs száma csökken (elektront vesz fel).
Az oxidációs szám iránya
−2 −1 0 +1 +2 OXIDÁCIÓ (nő) REDUKCIÓ (csökken)
Az oxidációs szám „számegyenesén" az oxidáció jobbra (növekvő érték), a redukció balra (csökkenő érték) mutat.

Példa: a szén égése

C0 + O20 → C+4O2−2

Ellenőrzés: a szén 4-gyel nő, a két oxigénatom egyenként 2-vel csökken, összesen 4-gyel — a leadott és a felvett elektronok száma megegyezik. (Pontosan ez a rendezés alapelve, lásd a következő szekciót.)


05

Redoxiegyenletek rendezése

A redoxiegyenletek együtthatóit (sztöchiometriai számait) az oxidációsszám-módszerrel rendezzük. Az alapelv egyszerű, de erős:

⚖️
A leadott és a felvett elektronok száma egyenlő — tehát az összes oxidációsszám-növekedés és -csökkenés kiegyenlíti egymást (az oxidációsszám-változások előjeles összege 0).

A rendezés lépései

  1. Írd fel az atomok oxidációs számait a kiindulási anyagokban és a termékekben.
  2. Jelöld, mi oxidálódik és mi redukálódik, és mennyivel változik az oxidációs száma (ez az atomonként leadott / felvett elektronszám).
  3. Az elektronátmenetet egyenlítsd ki: keresd meg a változások legkisebb közös többszörösét, és ebből add meg a szorzókat.
  4. Írd be a kapott együtthatókat az egyenletbe.
  5. Ellenőrizd az atom- és a töltésmérleget (minden elemből ugyanannyi atom legyen mindkét oldalon).

Próbáld ki lépésenként! — az alumínium égése

Rendezzük együtt az alumínium égését. Kattints a „Következő lépés" gombra; minden lépésnél megnézzük az egyenletet, az elektronmérleget és egy rövid magyarázatot.

Oxidáció

—

Redukció

—

A végeredmény tehát:

4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3

Mérleg: alumínium 4 = 4, oxigén 6 = 6 — az egyenlet rendezett. Az elektronmérleg: 4 Al × 3 e− = 12 leadott elektron, 6 O × 2 e− = 12 felvett elektron. ✓

🧮
A redoxi számítások (pl. a leadott töltésmennyiség, a Faraday-állandó F ≈ 96500 C/mol és az elektrolízis) külön gyakorolhatók itt: szam-redoxi.html. A galvánelemek, standardpotenciálok és az elektrokémia teljes témaköre pedig itt: elektrokemia.html — ott látható, hogy a galvánelemben az anód a negatív, a katód a pozitív pólus (elektrolízisnél fordítva), de az oxidáció mindig az anódon, a redukció mindig a katódon megy végbe.

C) Egyéb reakciók vizes oldatban

06

Egyéb reakciók vizes oldatban

A redoxi mellett a vizes oldatban más reakciótípusok is végbemennek, amelyekben nincs elektronátmenet — csak az ionok rendeződnek át. Három fontos típust nézünk meg: a csapadékképződést, a gázfejlődést és a komplexképződést.

Csapadékképződés

Csapadékképződés

Vízben rosszul oldódó anyag (csapadék) keletkezik, amikor két olyan iont hozunk össze, amelyek együtt nehezen oldódó sót adnak. A kivált csapadék és a fölötte lévő (telített) oldat között egyensúly áll be.

Néhány jellegzetes ionegyenlet (a „↓" jelöli a kiváló csapadékot):

Ag+ + Cl− → AgCl ↓
Pb2+ + 2 I− → PbI2 ↓
Ba2+ + SO42− → BaSO4 ↓
Csapadékkiválás (animált)
+ − + kivált csapadék ↓
Az ellentétes töltésű ionok rosszul oldódó sót képeznek; a szemcsék kiválnak és az edény aljára ülepednek. Pl. Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Gázfejlődés

Gázfejlődés

A keletkező termék illékony, vagy bomlékony és gázzá alakul. A folyamat egyirányú (gyakorlatilag teljes), mert a fejlődő gáz eltávozik a rendszerből — így nem tud visszaalakulni.

Példák (a „↑" a távozó gázt jelöli):

CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + H2O + CO2 ↑
Na2S + 2 HCl → 2 NaCl + H2S ↑
Gázfejlődés (animált)
gázbuborékok ↑
A reakcióban gáz (pl. CO2 vagy H2S) keletkezik, buborékok formájában felszáll és eltávozik — ezért a folyamat egyirányú.

Komplexképződés

Komplexképződés

Egy ion vagy atom (a központi atom) körül több, elektronpárt adni képes részecske, ligandum rendeződik el, datív (koordinációs) kötéssel. Az így keletkező komplex ion gyakran jól oldódik — emiatt egy csapadék is feloldódhat a megfelelő ligandum hatására.

Klasszikus példa: az ezüst-klorid csapadék ammóniaoldatban feloldódik, mert az ezüstion ammónialigandumokkal jól oldódó komplexet képez:

AgCl + 2 NH3 → [Ag(NH3)2]+ + Cl−
Komplex ion: a központi atom és a ligandumok
NH₃ Ag⁺ NH₃ [Ag(NH₃)₂]⁺ központi atom: Ag⁺ · ligandumok: 2 NH₃
A ligandumok (NH3) nemkötő elektronpárjukkal kötődnek a központi ezüstionhoz; a nyíl a datív (koordinációs) kötés irányát mutatja.

A három „egyéb" reakciótípus összehasonlítása

TípusJellemzőPélda
Csapadékképződés rosszul oldódó csapadék válik ki; a csapadék és az oldat közt egyensúly Ag+ + Cl− → AgCl↓
Ba2+ + SO42− → BaSO4↓
Gázfejlődés illékony / bomlékony termék gázként eltávozik; egyirányú CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑
Komplexképződés központi atom köré ligandumok rendeződnek; csapadék is feloldódhat AgCl + 2 NH3 → [Ag(NH3)2]+ + Cl−
🔗
A reakciók teljes osztályozása (egyesülés, bomlás, helyettesítés, megfordíthatóság, hőváltozás stb.) itt található: reakciotipusok.html. A protonátmenetes (sav–bázis) reakciók önálló témaköre pedig itt: sav-bazis.html — ott szerepel többek között a vízionszorzat (Kv = 10−14) és a pH (pH = −lg[H3O+]).
🎯
Összefoglalva: a redoxi az elektronátmenet reakciója — az egyik részecske oxidálódik (elektront ad le, az oxidációs száma nő), a másik redukálódik (elektront vesz fel, az oxidációs száma csökken), egyszerre. Az irányt és a mérleget az oxidációs szám segít követni; az egyenleteket az alapján rendezzük, hogy a leadott és a felvett elektronok száma egyenlő. A vizes oldatban emellett csapadék-, gáz- és komplexképződési reakciók is végbemennek — ezekben már nincs elektronátmenet, csak az ionok rendeződnek át.