Redoxné reakcie

Oxidačno-redukčné reakcie – kľúčové pojmy

Oxidačný stav

Oxidačný stav chemického prvku je hypotetický náboj, ktorý by sa mohol akumulovať na atóme konkrétneho prvku obsiahnutého v chemickej zlúčenine, ak by všetky chemické väzby v tejto zlúčenine boli iónové. V praxi táto situácia nie vždy nastáva (rozklad zlúčeniny na jednotlivé katióny a anióny), takže oxidačný stav by sa mal považovať za konvenčný pojem. Oxidačný stav sa rovná náboju konkrétneho iónu, takže nadobúda buď kladné alebo záporné hodnoty. Označuje sa rímskou číslicou umiestnenou za symbolom chemického prvku. Prvky v rôznych oxidačných stupňoch majú rôzne oxidačno-redukčné vlastnosti.

Oxidácia

Pri oxidácii (deelektronácii) redukčné činidlo zvyšuje svoj oxidačný stav, tj dáva elektróny oxidantu. Oxidácia ani redukcia nemôžu prebiehať nezávisle, pretože elektróny darované jednou chemickou entitou musia byť okamžite prijaté druhou, aby prebehla opačná reakcia.

Zníženie

Pri redukcii (elektronácii) oxidant znižuje svoj oxidačný stav prijatím elektrónov, teda pri redukcii ide o odber elektrónov. Chemické prvky, ktoré to robia, sa nazývajú oxidanty.

Disproporcionačná reakcia (dismutácia)

Disproporcionačná reakcia je jedným z typov redoxných reakcií. V literatúre sa môžete stretnúť aj s termínom: dismutačná reakcia. Jeho charakteristickým znakom je, že v priebehu redoxnej reakcie sa ten istý prvok súčasne oxiduje a redukuje. Aby došlo k disproporcionácii, musí mať príslušný prvok aspoň tri rôzne oxidačné stavy. Ak je táto podmienka splnená, zlúčenina, ktorá je v strednom oxidačnom stave, je oveľa menej stabilná v porovnaní s ostatnými dvoma stavmi. disproporčné reakcie prebiehajú spontánne. Atómy ako síra, dusík, fosfor alebo mangán sú náchylné na tento typ redoxnej reakcie.

Synproporcionačná reakcia

Synproporcionačná reakcia, podobne ako disproporcionácia, je tiež typom redoxnej reakcie. Tento proces nastáva, keď dve rôzne chemické zlúčeniny obsahujúce rovnaký prvok v rôznych oxidačných stavoch navzájom reagujú. V dôsledku oxidačno-redukčnej reakcie vzniká ďalšia zlúčenina obsahujúca tento prvok v novom oxidačnom stave.

Elektrónová rovnováha

Pri každej oxidačno-redukčnej reakcii, ktorá prebieha, sa vymení rovnaký počet elektrónov. Ak v konkrétnom procese redukčné činidlo daruje napríklad dva elektróny, druhý z dvojice, oxidant, tiež prijme dva elektróny do svojho elektrónového obalu. Táto situácia sa označuje ako takzvaná elektrónová rovnováha reakcie. Pre celú redoxnú reakciu by táto rovnováha mala byť nulová.

Ako sa vyskytujú redoxné reakcie?

Základom každej redoxnej reakcie je oxidácia a redukcia. Ak vezmeme do úvahy tieto skutočnosti, každý proces môže byť napísaný pomocou takzvaných polovičných rovníc, v ktorých sú špecifikované iba atómy darujúce alebo prijímajúce elektróny. Celá redoxná reakcia je teda istým spôsobom o dávaní a braní elektrónov. Môžu tak urobiť len tie prvky, ktoré sa v chemických zlúčeninách vyskytujú vo viac ako jednom oxidačnom stupni. Poznanie jeho stavov v jednotlivých chemických entitách je nevyhnutné pre správne zapísanie a vyváženie redoxných reakcií. Pri vyrovnávaní elektrónov by sa okrem správneho zapisovania polovičných rovníc mali uvádzať aj oxidačné a redukčné reakcie, ako aj oxidant a redukčné činidlo. Medzi oxidanty najčastejšie patria vysoko elektronegatívne prvky (16. a 17. skupina periodickej tabuľky ), ióny kovov vo vyšších oxidačných stupňoch, ióny ušľachtilých kovov a oxidačné kyseliny (napr. kyselina dusičná (V) , kyselina sírová (VI) a ich zmesi s inými – oxidačné kyseliny). Najbežnejšími oxidantmi sú zlúčeniny ako KMnO ₄ , K ₂ Cr ₂ O ₇ , KClO ₃ alebo K ₂ S ₂ O ₈ . Reduktanty sú na druhej strane elektropozitívne prvky (zvyčajne zo skupín 1 a 2 periodickej tabuľky), kovy v nulovom oxidačnom stave, molekulárny vodík, uhlík, oxid uhoľnatý a anióny anorganických kyselín. Najpopulárnejšie redukčné činidlá sú: Na, Mg, Fe ²⁺ , Cl ^– , Br ^– , SCN ^– . Vzorec redoxnej reakcie ďalej udáva počet elektrónov vymenených v procese. Priebeh tejto výmeny elektrónov je určený redoxným potenciálom zúčastnených reaktantov. Inými slovami, možno ho nazvať poločlánkovým potenciálom alebo elektrónovým potenciálom. Podľa definície, čím väčší je potenciálny rozdiel v systéme, tým väčšia je hnacia sila celej oxidačno-redukčnej reakcie.

Dajú sa redoxné reakcie pozorovať v každodennom živote?

Môže sa zdať, že redoxné reakcie sa objavujú len na stránkach školských učebníc a na hodinách chémie. Nič však od toho nemôže byť ďalej. Takéto reakcie nás sprevádzajú každý deň. Stojí za to dozvedieť sa o nich viac, aby sme s väčším porozumením pozorovali procesy a prostredie okolo nás. Nasledujú príklady každodenných redoxných reakcií, s ktorými sa už určite stretol každý z nás:

• Korózia kovov – je najčastejším procesom znehodnocovania kovov a ich zliatin. Vyplýva to z kontaktu povrchu predmetného materiálu s prostredím a atmosférickými podmienkami. Z hľadiska mechanizmov koróznych procesov je najbežnejšia elektrochemická korózia, ktorá sa vyskytuje v prostredí elektrolytov, vo vlhkých plynoch alebo v pôde s vysokou vlhkosťou. V mieste korózie vzniká takzvaný korózny článok, v ktorom prebiehajú elektródovo-redukčné reakcie. V anodickej oblasti vždy dochádza k znehodnoteniu kovu. Tam sú elektróny darované kovom, ktorý oxiduje a vo forme iónov prechádza do roztoku elektrolytu. Uvoľnené náboje migrujú na katódu. Tam sa spájajú s iónmi alebo atómami, ktoré majú schopnosť prijímať elektróny. Najčastejšie ide o atómy kyslíka zo vzduchu (na katóde sa zredukujú na hydroxidové ióny) alebo vodíkové ióny (redukujú sa na molekulárny vodík). Na katóde môže jeden alebo oba tieto procesy prebiehať súčasne.
• Fotosyntéza – je to proces, ktorý nás sprevádza každý deň. Počas fotosyntézy bunky premieňajú atmosférický oxid uhličitý a vodu na glukózu a kyslík s využitím slnečnej energie. Ako mnohé biochemické procesy prebiehajúce v živých organizmoch, aj fotosyntéza zahŕňa zmenu oxidačných stavov prvkov, ktoré tvoria reaktanty. Pri tejto redoxnej reakcii sa atóm kyslíka v molekule vody oxiduje na molekulárny kyslík. Preto je molekula vody donorom elektrónov alebo redukčným činidlom. Akceptorom výsledného náboja alebo oxidantom je oxid uhličitý. Jeho základné atómy uhlíka v štvrtom oxidačnom stupni sú redukované na nulový oxidačný stav.
• Galvanické články – články sú usporiadania dvoch elektród, ponorených do rovnakého elektrolytu (alebo rôznych elektrolytov), ​​ktoré sú navzájom spojené pomocou vonkajšieho obvodu. Každá elektróda ponorená do vlastného elektrolytu (polčlánku) vykazuje určitý potenciál. Výsledný potenciálny rozdiel, teda tok prúdu (elektrónov), je spôsobený oxidačno-redukčnými reakciami. Polovičné procesy prebiehajú na každej elektróde. Na anóde sú v dôsledku oxidačnej reakcie darované elektróny, ktoré sú následne prijímané na druhej elektróde – katóde – v redukčnej reakcii. Najbežnejšími zariadeniami využívajúcimi galvanické články sú batérie, ktoré sú zdrojom energie napríklad pre autá. Najbežnejšia olovená kyselina sa skladá z dvoch elektród. Jeden je čisté olovo a druhý je potiahnutý oxidom olovnatým. Oba sú ponorené do 37 %kyseliny sírovej (VI). Umožňuje voľnú výmenu elektrónov medzi katódou a anódou. Počas prevádzky batérie začnú prebiehať oxidačno-redukčné reakcie. V tomto prípade je anóda olovenou elektródou. Olovo začína oxidovať a prechádza z nulového oxidačného stavu až do druhého oxidačného stavu. Súčasne sa uvoľnia dva elektróny, ktoré cez elektrolyt migrujú na katódu. Tam začína proces redukcie olova zo štvrtého oxidačného stupňa na olovnatý (II), tj oxid olovnatý (IV) sa transformuje na síran olovnatý (II). V prípade batérie je redoxná reakcia zdrojom energie, ktorou je možné napájať množstvo zariadení.