A) Az elektronátmenet
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.
Elektronleadás. A részecske egy vagy több elektront ad le; közben az oxidációs száma nő.
Elektronfelvétel. A részecske egy vagy több elektront vesz fel; közben az oxidációs száma csökken.
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:
A két félreakciót összeadva (a 2 elektron mindkét oldalon kiesik) megkapjuk a teljes redoxiegyenletet:
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.
Oxidálószer és redukálószer
Mivel a redoxiban két szereplő van, mindkettőnek külön nevet adunk — annak alapján, hogy mit tesznek a másikkal:
Elektront felvevő anyag: a reakciópartnerét oxidálja. Eközben maga redukálódik (felveszi az elektronokat, az oxidációs száma csökken).
Elektront leadó anyag: a reakciópartnerét redukálja. Eközben maga oxidálódik (leadja az elektronokat, az oxidációs száma nő).
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:
Itt a kén +4 → +6 (oxidálódik), a jód 0 → −1 (redukálódik). A kén-dioxid a jódot redukálja, tehát redukálószer.
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
| Jellemzők | Tipikus 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 |
B) Oxidációs szám és egyenletrendezés
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.
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
- Az elemek atomjainak oxidációs száma 0 (pl. Na, O2, Cl2, P4).
- Az egyszerű ion oxidációs száma = az ion töltése (pl. Na+ → +1, Cl− → −1, S2− → −2).
- A hidrogén oxidációs száma általában +1 (kivétel a fémhidridek, pl. NaH, ahol −1).
- Az oxigén oxidációs száma általában −2 (kivétel a peroxidok, pl. H2O2, ahol −1; az OF2-ben pedig +2).
- A fluor oxidációs száma mindig −1 (a legnagyobb elektronegativitású elem).
- Egy molekulában (semleges vegyületben) az oxidációs számok — az indexszel szorzott — összege 0.
- Összetett ionban az oxidációs számok összege = az ion töltése.
Kidolgozott példák
Próbáld ki! — oxidációsszám-számoló
Válassz egy vegyületet vagy iont. Megmutatjuk az egyes atomok oxidációs számát és a hozzá tartozó számítást is.
Felismerés oxidációs szám alapján
Most már egyszerű eldönteni, ki mit csinál egy reakcióban. Csak az oxidációs szám változását kell figyelni:
Példa: a szén égése
- A szén: 0 → +4. Az oxidációs száma nő → oxidálódik; ő a redukálószer (az oxigént redukálja).
- Az oxigén: 0 → −2. Az oxidációs száma csökken → redukálódik; ő az oxidálószer (a szenet oxidálja).
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.)
Redoxiegyenletek rendezése
A redoxiegyenletek együtthatóit (sztöchiometriai számait) az oxidációsszám-módszerrel rendezzük. Az alapelv egyszerű, de erős:
A rendezés lépései
- Írd fel az atomok oxidációs számait a kiindulási anyagokban és a termékekben.
- Jelöld, mi oxidálódik és mi redukálódik, és mennyivel változik az oxidációs száma (ez az atomonként leadott / felvett elektronszám).
- Az elektronátmenetet egyenlítsd ki: keresd meg a változások legkisebb közös többszörösét, és ebből add meg a szorzókat.
- Írd be a kapott együtthatókat az egyenletbe.
- 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:
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. ✓
C) Egyéb reakciók vizes oldatban
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
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):
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):
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:
A három „egyéb" reakciótípus összehasonlítása
| Típus | Jellemző | Példa |
|---|---|---|
| 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− |