Viděl jsi to. Kov se rozzáří, zčerná a změní stav. Nejde jen o topení. To je chemie v akci. Přesněji řečeno, jde o redoxní reakci, při které jedna látka ztrácí elektrony a jiná je získává. Žádná magie. Prostě velmi specifická výměna nabitých částic.
Pokud chcete pochopit, proč se tvoří rez, jak baterie napájejí váš telefon nebo proč antiseptické ubrousky zabíjejí bakterie, musíte se podívat na přenos elektronů. V každém redoxním procesu se alespoň jedna látka oxiduje a další redukuje. Oxidovaná látka uvolňuje elektrony. Redukující látka je přijímá. Tato změna mění oxidační stav atomů zapojených do reakce.
Jak poznat zloděje a dárce elektronů
Ne každá chemická reakce je redoxní událost. Ale když se elektrony pohybují, lze rozlišit dvě různé role.
- Oxidátor : Toto je zloděj elektronů. Přijímá elektrony, což způsobuje snížení jeho vlastního oxidačního stavu. Obvykle se jedná o vysoce elektronegativní prvky nebo sloučeniny. Představte si kyslík (O), jód (I), brom (Br) nebo takové těžké látky, jako je manganistan draselný (KMnO4), chlorečnan draselný (KClO3) a dichroman draselný (K2Cr2O7).
- Restaurátor : Toto je dárce. Daruje elektrony, což způsobí zvýšení jeho oxidačního čísla. Ty obvykle zahrnují méně elektronegativní druhy, jako je železo(II) (Fe2+), železo(III) (Fe3+), sodík (Na) nebo hořčík (Mg).
Proč je to důležité? Protože povaha těchto činidel předpovídá, jak bude reakce probíhat. Jedno bez druhého je nemožné. Jedna jde nahoru, druhá klesá.
Rozdělení reakce na poloviny
Chemici se nedívají jen na celkový obraz. Rozdělují redoxní reakce do dvou odlišných částí nazývaných poloviční reakce: oxidační část a redukční část. Díky tomu je vyvažování rovnic a předpovídání výsledků mnohem jednodušší.
Vezměme si například tvorbu oxidu měďnatého (II), také známého jako oxid měďnatý (II). Když měď reaguje s kyslíkem, atomy mědi ztrácejí elektrony. Získávají je atomy kyslíku. Výsledkem je stabilní spojení, ale cesta k němu souvisí čistě s pohybem elektronů.
“Látka, která je oxidována, poskytuje elektrony, zatímco látka, která je redukována, je přijímá.”
Toto jednoduché pravidlo platí, ať už analyzujete malou baterii nebo obrovskou průmyslovou huť. Atomy mají bezrozměrné měřítko. Jde jim pouze o rovnováhu náboje. A tato rovnováha určuje vše: od stability materiálů až po uvolňování energie.
Proč měď zezelená, ale rez ve skutečnosti „žere“ železo
Oxidační reakce mědi není jen učebnicovým schématem. To je viditelné znamení, že se elektrony pohybují. Když se měď setká s kyslíkem, vydá dva elektrony. Měď se stává Cu2+. Kyslík bere tyto elektrony a mění se na O2-.
Tato výměna určuje celý proces. Měď je redukční činidlo, protože se zvýšil její oxidační stav. Kyslík je oxidační činidlo, protože jeho oxidační stav se snížil. Atomy to dělají, aby dosáhly stabilního stavu podobného vzácným plynům. Získávají nebo ztrácejí elektrony v závislosti na jejich elektronegativitě.
Vidíte to všude. Železo rezaví. Jídlo se kazí vaším metabolismem. V motorech hoří palivo. Baterie fungují pomocí elektrochemických článků. V těchto článcích dochází k oxidaci na anodě. K redukci dochází na katodě.
Jak se vlastně chovají různé oxidačně-redukční reakce
Oxidačně-redukční reakce se liší rychlostí a konkrétními použitými chemikáliemi. Existují čtyři typy.
Oxidace kovů
Postupují pomalu. Často velmi pomalu. Kovy jako železo, měď, hliník nebo zinek časem reagují s vodou a kyslíkem. Kov ztrácí elektrony. Kyslík je přijímá.
– Měď tvoří CuO.
– Železo tvoří Fe2O3.
To je důvod, proč staré trubky vypadají špinavě a sochy zelenají.
Hoří
Postupují rychle. Dokonce nebezpečné. Při spalování se uvolňuje obrovské množství energie ve formě tepla a světla. Klasickým příkladem je spalování paliva v kyslíku. Rychlost procesu je užitečná pro motory a děsivá pro požáry v kuchyni.
Dvojité přemístění
Zde jeden atom mění místo s jiným v molekule. První atom je oxidován, aby se spojil s molekulou. Původní atom je obnoven a odchází.
Vezměme si reakci zinku se síranem měďnatým (CuSO4). Zinek a měď mění partnery. Zinek vychytává síranové ionty.
Disproporční reakce
Také se nazývá analýza nebo dismutace. Jeden prvek se současně oxiduje a redukuje. K tomu dochází, když prvek může existovat ve třech nebo více oxidačních stavech.
– Dusík
– Sera
– Fosfor
– Mangan
Tyto prvky jsou chemické chameleony.
Konkrétní příklady přenosu elektronů
Podívejme se na mechaniku procesu.
Síran zinku a mědi
Ponořte zinek do roztoku síranu měďnatého. Zinek daruje dva elektrony. Oxiduje. Působí jako redukční činidlo.
Měď přijímá tyto dva elektrony. Uzdravuje se. Působí jako oxidační činidlo.
Zinek vytěsňuje měď a váže se na sulfátovou skupinu (SO42-). Síran je solný derivát kyseliny sírové. Měď potřebovala, aby tyto dva elektrony opustily roztok. To je důvod, proč dochází k reakci.
Sodík a chlór
Sodík (Na) a plynný chlor (Cl2) reagují za vzniku chloridu sodného (NaCl).
Sodík ztratí jeden elektron. Jeho oxidační stav se stává +1.
Tento elektron získává chlor. Jeho oxidační stav se stává -1.
Vytvářejí spojení. Získáte kuchyňskou sůl. Jednoduché, smrtící přísady. Stabilní výsledek.
Oxidace železa(III)
Železo může oxidovat na +2 nebo +3. Železo (III) je vyšší oxidační stupeň.
Železo uvolňuje tři elektrony. Stává se Fe3+.
Kyslík bere dva elektrony. Stává se z něj O2-.
Matematika je zde složitá. Tři elektrony ze železa, dva potřebné pro kyslík. K vyvážení přenosu potřebujete dva atomy železa a tři atomy kyslíku. Tím vzniká oxid železitý. Rez na dveřích vašeho auta je přesně tato nerovnováha, která byla vyřešena.
