Redoks reakcji lub reakcji redoks jest reakcja chemiczna , w której przenoszenie elektronów zachodzi . Substancja chemiczna, która wychwytuje elektrony, nazywana jest „ utleniaczem ”, a substancja, która je oddaje, „ redukującą ”.
Reakcje redoks zachodzą podczas spalania , podczas niektórych dawek metalurgicznych , podczas korozji metali, w zjawiskach elektrochemicznych lub oddychania komórkowego . Odgrywają szczególnie ważną rolę w dziedzinie biologii , podczas przemiany tlenu w wodę (H 2 O) w żywych organizmach. Reakcje redoks są również często stosowane w przemyśle: pozyskiwanie żeliwa z rud składających się z tlenku żelaza poprzez redukcję, następnie żelazo i stal z żeliwa poprzez utlenianie.
Różnorodność reakcji redoks tłumaczy się ruchliwością elektronu , jego lekkością i wszechobecnością we wszystkich formach materii.
Następujące eksperymenty z rtęcią , Antoine Lavoisier wykazał w 1772 roku rolę ditlenu w niektórych reakcjach redoks. Podaje pierwsze definicje:
W języku potocznym utlenianie jest reakcja chemiczna , w której związek (na przykład) w połączeniu z jednym lub większą liczbą atomów od tlenu , takie jak utlenianie żelaza Fe, które wytwarza się rdzy : 4 Fe + 3 O 2⟶ 2 Fe 2 O 3.
Jednak dopiero w XX th century, po odkryciu elektronu (przez Joseph John Thomson w 1897 roku) oraz wprowadzenie atomowej modelu Bohra (1913), że reakcje chemiczne są przeglądowi w świetle tych nowych modeli i podobieństw obserwowane umożliwiają stopniową identyfikację aktualnej koncepcji oksydacyjno-redukcyjnej, która wyraża się w postaci transferów elektronów.
Suche reakcje utleniania-redukcji (wymiana tlenu) są opisane na diagramach Ellinghama . W środowisku wodnym równanie Nernsta służy do badania termodynamicznych aspektów reakcji redoks, a zależności Butlera-Volmera do badania ich aspektów kinetycznych .
Aby ułatwić badanie reakcji, każdemu atomowi związku przypisujemy (czasem abstrakcyjnie) stopień utlenienia (no), który symbolizuje wartość przenoszonego ładunku (na przykład: Fe 2+ , zwany jonem żelazawym „żelazo ( II ) ” , ma stopień utlenienia równy 2).
Tak więc „kombinacje z tlenem” są tylko szczególnym przypadkiem reakcji redoks. Oto dwie reakcje z miedzią:
2 Cu + O 2⟶ 2 CuO ; Cu + Cl 2⟶ CuCl 2.Pierwsza łączy miedź i tlen, podczas gdy druga łączy miedź i chlor . Chlor i tlen mają jedną wspólną cechę: są bardziej elektroujemnymi pierwiastkami niż miedź.
Utlenianiu jednego ciała zawsze towarzyszy redukcja drugiego (elektrony nie mogą samodzielnie krążyć i są koniecznie wychwytywane), mówimy o „reakcji oksydacyjno-redukcyjnej”. Utlenianie jest połową reakcji redoks, a redukcja jest drugą połową reakcji.
Pierwszą definicję redukcji można lepiej zrozumieć dzięki etymologii. Zmniejszyć pochodzi z łac. Reducere : przywrócić. Redukcja metalu to „przywrócenie” go do stanu neutralnego.
W reakcji utleniania-redukcji:
Możemy użyć mnemonika za pomocą samogłosek i spółgłosek: Reduktor = Donor, Utleniacz = Akceptor.
Czynnik redukujący utlenia się (reakcja utleniania), utleniacz jest redukowany (reakcja redukcji). Redox składa się zatem z dwóch połówkowych reakcji: utleniania i redukcji.
Utleniony środek redukujący staje się utleniaczem i odwrotnie, zredukowany utleniacz staje się środkiem redukującym. Definiuje to „parę utleniająco-redukującą” (zwaną również „parą redoks”), która składa się z utleniacza i sprzężonego środka redukującego (utleniacz zredukowany). Jest odnotowany w formie: „środek utleniający / redukujący”.
Oznaczamy Red = Ox + n e - reakcję utleniania, Red jest środkiem redukującym , a Ox utleniaczem reakcji. Równanie to można zapisać strzałką (⟶), jeśli reakcja jest całkowita, tj. jeśli stała równowagi K > 10 000 ( K zależy od reakcji).
Utlenianie to połówkowe równanie redoks.
Przez Ox + n e - = Red oznaczamy reakcję redukcji, Red oznacza czynnik redukujący , a Ox utleniacz reakcji). Równanie to można zapisać strzałką (⟶), jeśli reakcja jest zakończona, tj. jeśli K > 10 000 ( K zależy od reakcji).
Redukcja to połowa równania utleniania-redukcji.
Reakcja redoks polega na dodaniu utleniania i redukcji (w celu uproszczenia elektronów ). Równanie utleniania-redukcji jest zapisane w następujący sposób:
Ox 1 + Red 2 = Ox 2 + Red 1 , z parami utleniająco-redukcyjnymi Ox 1 / Red 1 i Ox 2 / Red 2 .W biochemii , a w szczególności w odniesieniu do syntezy cząsteczek prebiotycznych, mówimy o reakcjach zachodzących w atmosferze utleniającej, to znaczy w obecności tlenu, w przeciwieństwie do atmosfery redukującej, na przykład zawierającej gaz węglowy.
Niektóre związki chemiczne mogą zachowywać się zarówno jako utleniacz, jak i czynnik redukujący. Dotyczy to w szczególności nadtlenku wodoru , o którym mówi się, że jest nieproporcjonalny i dlatego nie może być przechowywany przez długi czas:
H 2 O 2⟶ 2 H + + O 2+ 2 e - (utlenianie); H 2 O 2+ 2 H + + 2 e - ⟶ 2 H 2 O (zmniejszenie).lub wreszcie:
2. H 2 O 2⟶ 2 H 2 O+ O 2.Na przykład istnieją pary utleniająco-redukujące Cu 2+ /Cu i Zn 2+ /Zn, które dają reakcję w roztworze wodnym :
Zn (s) + Cu 2+ (aq) ⟶ Zn 2+ (aq) + Cu (s) (redoks).Ta reakcja może rozłożyć się na redukcję (utleniacza) i utlenianie (środka redukującego):
Zn (s) = Zn 2+ (aq) + 2 e - (utlenianie); Cu 2+ (aq) + 2 e - = Cu (s) (redukcja).Te dwie połówkowe równania utleniania i redukcji można faktycznie w niektórych przypadkach rozdzielić (to znaczy, że nie występują w tym samym miejscu), umożliwiając generowanie prądu elektrycznego (to znaczy, co dzieje się w bateriach elektrycznych ). W innych przypadkach, na przykład w podanym przykładzie, mają one tylko formalny interes (wolne elektrony nie istnieją w wodzie).
Reakcja utleniania-redukcji musi być zrównoważona, aby zapewnić dokładną liczbę zaangażowanych elektronów.Czasami są reakcje złożone, które wymagają zrównoważenia współczynników stechiometrycznych półrównań . Czasami konieczne jest dodanie cząsteczek lub jonów do roztworu (w zależności od medium) w celu zrównoważenia.
Na przykład dla reakcji między nadmanganianem potasu (para MnO 4- / Mn 2+ ) i roztwór żelaza ( para Fe 3+ / Fe 2+ ), w środowisku kwaśnym (obecność jonów H + ):
( Fe 2+ = Fe 3+ + e - ) × 5 (utlenianie); ( MnO 4- + 8 H + + 5 e - = Mn 2+ + 4 H 2 O) × 1 (redukcja);stąd następujące równanie oksydacyjno-redukcyjne: MnO 4- + 8 H + + 5 Fe 2+ = Mn 2+ + 4 H 2 O+ 5 Fe 3+ .
Zrównoważenie takiego równania oznacza również liniowe łączenie połówkowych reakcji (utleniania i redukcji) tak, aby podana liczba elektronów była dokładnie liczbą elektronów zaakceptowanych: reakcja redoks jest ścisłą wymianą elektronów ( korzystną termodynamicznie ).
Na przykład :
Fe = Fe 3+ + 3 e - ; O 2+ 4 e - = 2 O 2– .W niniejszym przypadku chodzi o znalezienie najmniejszej wspólnej wielokrotności 3 i 4, to znaczy 12, aby mieć ścisły bilans wymiany: konieczne jest zatem połączenie 4 razy pierwszej połówkowej reakcji ( żelazo dostarczy 12 elektronów) z 3-krotnością drugiej reakcji połówkowej (dwutlen przyjmie 12 elektronów), czyli: 4 Fe + 3 O 2⟶ 4 Fe 3+ + 6 O 2– . To właśnie wymiana elektronów jest zjawiskiem oksydacyjno-redukcyjnym.
Następnie następuje przyciąganie elektrostatyczne : ładunki dodatnie i ujemne przyciągają się i układają w taki sposób, że tworzą obojętny kryształ jonowy : 4 Fe 3+ + 6 O 2– ⟶ 2 Fe 2 O 3.
Ściśle rzecz biorąc, nie jest to reakcja chemiczna, ale przepisanie odpowiadające przyciąganiu statycznemu w krysztale jonowym ( hematytu ).
Charakter „utleniający” lub „redukujący” jest względny w kontekście reakcji chemicznej. Element redukujący w jednej reakcji może utleniać się w innej. Ale możliwe jest skonstruowanie skali siły utleniającej (lub w przeciwnym kierunku siły redukującej): jest to potencjał redoks , który jest mierzony w woltach . Ponadto potencjał ten może zależeć od kontekstu chemicznego, a w szczególności od pH , a nawet od kontekstu fizycznego: skutki światła są wykorzystywane zarówno przez naturę w fotosyntezie, jak i przez ludzi w fotografii .
Wszystkie pary redukujące utleniacze są zapisane w postaci Ox / Red . Klasyfikuje się je od najsilniejszego utleniacza do najsłabszego lub od najsłabszego środka redukującego do najsilniejszego, a wartość ich potencjału podaje się w woltach (przy 25 ° C i przy 1013 hPa ).
Przykłady par redukujących utleniaczeUtleniacz / reduktor | E 0 (V) |
---|---|
F 2 / F - | +2,87 |
S 2 O 8 2- / SO 4 2- | +2,01 |
H 2 O 2/ H 2 O | +1,77 |
MnO 4 - / MnO 2 | +1,69 |
MnO 4 - / Mn 2+ | +1,51 |
Do 3+ / Do | +1,50 |
PbO 2 / Pb 2+ | +1,45 |
Cl 2 / Cl - | +1,36 |
Cr 2 O 7 2- / Cr 3+ | +1,33 |
MnO 2 / Mn 2+ | +1,23 |
O 2/ H 2 O | +1,23 |
br 2 / br - | +1,08 |
NIE 3 - / NIE | +0.96 |
Hg 2+ / Hg | +0,85 |
NO 3 - / NO 2 - | +0,84 |
Ag + / Ag | +0,80 |
Fe 3+ / Fe 2+ | +0,77 |
O 2/ H 2 O 2 | +0,68 |
ja 2 / ja - | +0,62 |
Cu 2+ / Cu | +0,34 |
CH 3 CHO / C 2 H 5 OH | +0,19 |
SO 4 2 / SO 2 | +0.17 |
S 4 O 6 2- / S 2 O 3 2- | +0,09 |
H + / H 2 | +0.00 |
CH 3 CO 2 H / CH 3 CHO | -0,12 |
Pb 2+ / Pb | -0,13 |
Sn2 + / Sn | -0,14 |
Ni 2+ / Ni | -0,23 |
Cd 2+ / Cd | -0,40 |
Fe 2+ / Fe | -0,44 |
Zn 2+ / Zn | -0,76 |
Al 3+ / Al | -1,66 |
Mg 2+ / Mg | -2,37 |
Na + / Na | -2,71 |
Ca 2+ / Ca | -2,87 |
K + / K | -2,92 |
Li + / Li | -3,05 |
Ciało ludzkie wykorzystuje również reakcje redoks dla biosyntezy procesów , takich jak kwas tłuszczowy biosyntezy , na mitochondrialnego łańcucha oddechowego, albo glukoneogenezy . Najczęściej używane pary to w szczególności:
Uwaga.
W niektórych reakcjach redoks, w szczególności w fazie suchej (to znaczy w środowisku niewodnym, często w wysokiej temperaturze), nie ma oczywistego przeniesienia elektronów. Można tu wymienić na przykład, w przypadku spalania wodoru w tlen z powietrza, : 2 H 2+ O 2⟶ 2 H 2 O.
Zgodnie ze starą definicją pierwiastek wodór, który w połączeniu z pierwiastkiem tlenu uległ utlenianiu.
Ale odczynniki H 2i O 2, a produkt H 2 Osą cząsteczkami; żaden jon, który pozwalałby na interpretację w kategoriach przeniesienia elektronu, nie jest obecny w zaangażowanych formach chemicznych.
Aby rozwiązać problem, konieczne jest odwołanie się do elektroujemności elementu. Ta wielkość charakteryzuje zdolność atomu pierwiastka do wychwytywania jednego lub więcej elektronów w celu przekształcenia się w jon ujemny. W cząsteczkach atomy są połączone wiązaniami kowalencyjnymi .
Tworzenie wiązania chemicznego i elektroujemność Atomy o tej samej elektroujemności: wiązanie kowalencyjneŚciśle mówiąc, wiązanie kowalencyjne powstaje w wyniku połączenia jednej lub więcej par elektronów ( dublety dzielone lub dublety wiążące ) między dwoma identycznymi atomami (przypadek wiązań między atomami w cząsteczkach H 2i O 2z poprzedniego przykładu), a więc o tej samej elektroujemności. Dublety są równo dzielone między dwa atomy: pozostają elektrycznie obojętne.
H 2 :Wiążący dublet [ : ] jest (średnio) w równej odległości od dwóch atomów H.
Atomy o różnych elektroujemnościach: wiązania jonowe, spolaryzowane kowalencyjne, jonokowalencyjne Całkowity transfer elektronów między atomami: tworzenie wiązania jonowegoGdy różnica w elektroujemności Δ En między atomami jest ważna (zazwyczaj Δ En > 2 ), elektrony wiązania są silnie przesunięte w kierunku najbardziej elektroujemnego atomu, który je prawie całkowicie monopolizuje: to praktycznie całkowite przeniesienie elektronów sprawia, że ten atom staje się jonem ujemnym ( lub anion ) a drugiego atomu jon dodatni (lub kation ). Ponieważ nie ma już, ściśle mówiąc, gromadzenia elektronów, nie ma już wiązania kowalencyjnego. Wiązanie chemiczne jest tu wiązania pomiędzy jonami lub wiązania jonowe . Ten rodzaj połączenia to przypadek graniczny, nigdy nie osiągnięty w 100%.
Kryształ NaCl :Cl jest znacznie bardziej elektroujemny niż Na - oddzielne atomy Na • • Cl; wiązanie: Cl monopolizuje dublet elektronowy: Na: Cl
⇒ Cl zyskał elektron utracony przez Na: wiązanie między jonem Cl - a jonem Na + .
Częściowy transfer elektroniczny: spolaryzowane wiązanie kowalencyjne, wiązanie jonokowalencyjneJeśli różnica w elektroujemności jest mniejsza, przeniesienie elektronów między dwoma atomami nie jest już całkowite, ale częściowe przeniesienie ładunku ujemnego na najbardziej elektroujemny atom wytwarza nadmiar ładunku ujemnego na tym atomie (który następnie przenosi ujemny ładunek częściowy , zaznaczono δ - ) i deficyt ładunku ujemnego na drugim atomie (który następnie ma dodatni ładunek częściowy , zaznaczono δ + ); wiązanie między atomami to spolaryzowane wiązanie kowalencyjne (gdy polaryzacja jest umiarkowana) lub jonokowalencyjne (wiązanie o charakterze „półjonowym”, gdy polaryzacja jest wyraźna, typowo dla 1 <Δ En <2 ).
Cząsteczka HCl :Cl jest bardziej elektroujemny niż H: w cząsteczce HCl dublet wiążący jest przesunięty w kierunku Cl:
H [:]Cl.
Typ linku | Transfer elektroniczny między atomami |
Średnia pozycja dubletu [:] = dublet wiążący |
Model (dublet wiążący = ——) |
---|---|---|---|
kowalencyjny | Nie | H [ : ] H | H —— H |
kowalencyjne spolaryzowane lub jonokowalencyjne |
częściowy | H [ : ] Cl | δ + H —— Cl δ - |
jonowe (przyciąganie elektrostatyczne) |
całkowity | Na : Cl | Na + Cl - |
Albo spalanie sodu Na w ditlenie:
4 Na + O 2⟶ 2 Na 2 O.Pierwiastek O jest znacznie bardziej elektroujemny niż pierwiastek Na : transfer elektronów jest praktycznie całkowity; możemy zastosować do Na 2 Omodel jonowy: związek ten składa się z jonów Na + i O 2– .
Interpretacja reakcji pod kątem redoks nie nastręcza problemu:
Na = Na + + e - ; Na traci elektron, jest utleniany, O + 2 e - = O 2– ; O wychwytuje elektrony, jest redukowany. Fikcyjny transfer całkowity ( wirtualny )W cząsteczce wody elektrony wiążące są przypisane do atomu O, najbardziej elektroujemnego . Woda staje się obojętnym związkiem jonowym , składającym się z obojętnych jonów H + i O 2– . Reakcja jest wtedy interpretowana jak w poprzednim przypadku:
H = H + + e - ; H traci elektron, jest utleniany, O + 2 e - = O 2– ; O zyskuje elektrony, jest redukowana.Liczba utlenienia (no) lub stopień utlenienia (do) reprezentuje ładunek każdego fikcyjnego jonu pierwiastka w rozważanych formach chemicznych.
Jest on wyrażony w cyframi rzymskimi celu odróżnienia go od ładunku z rzeczywistym jonów .
W cząsteczce H 2 O :
W symetrycznych cząsteczkach H 2i O 2, ładunek każdego atomu wynosi zero, a stopień utlenienia każdego pierwiastka wynosi zero:
Podczas reakcji:
Ta definicja jest bardziej ogólna niż ta, która ogranicza się do rzeczywistej wymiany elektronów. Ma zastosowanie zarówno do częściowego przeniesienia, jak i całkowitego przeniesienia elektronów.
Jeżeli podczas reakcji nie obserwuje się zmiany liczby pierwiastków, reakcja ta nie jest reakcją utleniania-redukcji.
Przykład 1: H2 (g)+ Cl2 (g)⟶ 2 HCl Odczynniki : (przypadek cząsteczki symetrycznej)Warianty liczb, oznaczone jako „Δn.o. », Odpowiada przeniesieniu ładunków z reduktorów na utleniacze. Całkowity ładunek uzyskany przez utleniacze jest zatem równy całkowitemu ładunkowi oddawanemu przez środki redukujące.
Przykład: Zrównoważ następujące równanie: a HCl + b O 2⟶ c Cl 2+ D H 2 OW ogólnym przypadku, gdy mnożniki a , b , c , d , itd. są różne od 1, obliczamy najmniejszą wspólną wielokrotność ( lcm ) p tych mnożników.
Następnie piszemy: a ∨ b ∨ c ∨ d ∨ itd. = p .
3. Wymień niektóre związki chemicznePismo wzorów i nazwy związków chemicznych są skodyfikowane przez IUPAC .
Liczby są używane w nomenklaturze głównie wtedy, gdy pierwiastek może mieć kilka stopni utlenienia .
Niektóre przypadki
3.1. Kationy jednoatomoweKationy jednoatomowe nazywa się, dodając w nawiasie po nazwie pierwiastka odpowiednią liczbę ładunku ze znakiem plus lub liczbę utlenienia ( liczba rzymska ). Nazwę poprzedza termin „jon” lub „kation”.
Przykład: Pierwiastki sodu, wapnia i glinu mają tylko jeden stopień utlenienia; nie ma zatem dwuznaczności co do zarzutu kationu, można go pominąć w nazwie: Na + : jon sodu; Ca 2+ : jon wapnia; Al 3+ : jon glinu; pierwiastek żelazo wykazuje kilka stopni utlenienia: Fe 2+ zwany jonem żelazawym ( II ) i Fe 3+ zwany jonem żelazowym żelaza ( III ). 3.2. Związki stałeOgólnie rzecz biorąc, nazwy związków chemicznych oparte są na proporcjach ich składników.
3.2.1 Kryształy jonoweUwaga wstępna: proporcje jonów tworzących kryształ są zdeterminowane stanem neutralności elektrycznej całości.
Reguła: Przedrostek „ mono- ” jest zawsze pomijany, chyba że w celu uniknięcia pomyłek .
CaCl 2 : dichlorek wapnia; drugie uproszczenie jest nadal możliwe:
Zalecenie: jeśli związki zawierają takie pierwiastki, że nie jest konieczne określenie proporcji, na przykład gdy stopień utlenienia jest zwykle niezmienny, nie trzeba podawać tych proporcji .
CaCl 2jest jedynym związkiem składającym się z pierwiastków Ca i Cl: nom = chlorek wapnia , preferowany od dichlorku wapnia.
Formuła tlenkowa | Proporcja składników | Nazwisko | Fikcyjny model jonowy | Nazwa na podstawie liczb Fe |
---|---|---|---|---|
Fe 2 O 3 | 3 atomy O na 2 atomy Fe | inny trójtlenek | 2Fe 3+ 3O 2− | tlenek żelaza (III) |
FeO | 1 atom O na 1 atom Fe | tlenek żelaza (w porównaniu z CO: tlenek węgla) |
Fe 2+ O 2− | tlenek żelaza (II) |
Fe 3 O 4 | 4 atomy O na 3 atomy Fe | tetratlenek trifer | Fe 2+ 2Fe 3+ 4O 2 - jest tlenkiem mieszanym |
żelazo (II) i tlenek żelaza (III) |