Widziałeś to. Metal świeci, staje się czarny i zmienia stan. To nie tylko ogrzewanie. To jest chemia w działaniu. Mówiąc dokładniej, jest to reakcja redoks, w której jedna substancja traci elektrony, a inna je zyskuje. Żadnej magii. Po prostu bardzo specyficzna wymiana naładowanych cząstek.
Jeśli chcesz zrozumieć, dlaczego tworzy się rdza, jak baterie zasilają telefon lub dlaczego chusteczki antyseptyczne zabijają zarazki, musisz przyjrzeć się transferowi elektronów. W każdym procesie redoks przynajmniej jedna substancja ulega utlenieniu, a druga redukcji. Substancja utleniająca się oddaje elektrony. Substancja redukująca je akceptuje. Ta zmiana zmienia stopień utlenienia atomów biorących udział w reakcji.
Jak rozpoznać złodzieja i dawcę elektronów
Nie każda reakcja chemiczna jest zdarzeniem redoks. Kiedy jednak elektrony się poruszają, można rozróżnić dwie różne role.
- Utleniacz : To jest złodziej elektronów. Przyjmuje elektrony, co powoduje zmniejszenie własnego stopnia utlenienia. Są to zazwyczaj pierwiastki lub związki o dużej elektroujemności. Pomyśl o tlenie (O), jodzie (I), bromie (Br) lub takich ciężkich substancjach, jak nadmanganian potasu (KMnO4), chloran potasu (KClO3) i dichromian potasu (K2Cr2O7).
- Odnowiciel : To jest dawca. Oddaje elektrony, co powoduje wzrost stopnia jego utlenienia. Zwykle obejmują one mniej elektroujemne związki, takie jak żelazo(II) (Fe2+), żelazo(III) (Fe3+), sód (Na) czy magnez (Mg).
Dlaczego to jest ważne? Ponieważ charakter tych czynników pozwala przewidzieć przebieg reakcji. Jedno jest niemożliwe bez drugiego. Jeden idzie w górę, drugi w dół.
Dzielenie reakcji na połowy
Chemicy nie patrzą tylko na szerszą perspektywę. Dzielą reakcje redoks na dwie odrębne części zwane reakcjami półreakcyjnymi: część utleniania i część redukcji. Dzięki temu bilansowanie równań i przewidywanie wyników jest znacznie łatwiejsze.
Weźmy na przykład powstawanie tlenku miedzi(II), znanego również jako tlenek miedzi(II). Kiedy miedź reaguje z tlenem, atomy miedzi tracą elektrony. Pozyskują je atomy tlenu. Rezultatem jest stabilne połączenie, ale droga do niego jest związana wyłącznie z ruchem elektronów.
„Substancja utleniona dostarcza elektrony, natomiast substancja zredukowana je przyjmuje.”
Ta prosta zasada obowiązuje niezależnie od tego, czy analizujesz małą baterię, czy ogromną hutę przemysłową. Atomy mają skalę bezwymiarową. Interesuje ich tylko bilans opłat. I ta równowaga determinuje wszystko: od stabilności materiałów po uwalnianie energii.
Dlaczego miedź zmienia kolor na zielony, ale rdza tak naprawdę „zjada” żelazo
Reakcja utleniania miedzi to nie tylko schemat podręcznikowy. Jest to widoczny znak, że elektrony się poruszają. Miedź spotykając się z tlenem oddaje dwa elektrony. Miedź staje się Cu2+. Tlen zabiera te elektrony, zamieniając się w O2-.
Ta wymiana determinuje cały proces. Miedź jest środkiem redukującym, ponieważ jej stopień utlenienia jest podwyższony. Tlen jest utleniaczem, ponieważ jego stopień utlenienia jest obniżony. Atomy robią to, aby osiągnąć stabilny stan podobny do gazów szlachetnych. Zyskują lub tracą elektrony w zależności od ich elektroujemności.
Widzisz to wszędzie. Żelazne rdzewieje. Jedzenie psuje się poprzez metabolizm. Paliwo spala się w silnikach. Baterie działają w oparciu o ogniwa elektrochemiczne. W tych ogniwach utlenianie zachodzi na anodzie. Redukcja zachodzi na katodzie.
Jak faktycznie zachowują się różne reakcje utleniania i redukcji
Reakcje utleniania i redukcji różnią się szybkością i specyficznymi substancjami chemicznymi. Istnieją cztery typy.
Utlenianie metalu
Postępują powoli. Często bardzo wolno. Metale takie jak żelazo, miedź, aluminium czy cynk z czasem reagują z wodą i tlenem. Metal traci elektrony. Tlen je akceptuje.
– Miedź tworzy CuO.
– Żelazo tworzy Fe2O3.
Dlatego stare rury wyglądają na brudne, a posągi na zielone.
Płonący
Postępują szybko. Nawet niebezpieczne. Spalanie uwalnia ogromne ilości energii w postaci ciepła i światła. Klasycznym przykładem jest spalanie paliwa w tlenie. Szybkość procesu sprawia, że jest on przydatny dla silników i straszny w przypadku pożarów w kuchni.
Reakcje podwójnego przemieszczenia
Tutaj jeden atom zamienia się miejscami z innym w cząsteczce. Pierwszy atom ulega utlenieniu, aby połączyć się z cząsteczką. Oryginalny atom zostaje przywrócony i odchodzi.
Weźmy reakcję cynku z siarczanem miedzi (CuSO4). Cynk i miedź zmieniają partnerów. Cynk pochłania jony siarczanowe.
Reakcje dysproporcji
Zwany także analizą lub dysmutacją. Jeden pierwiastek jednocześnie utlenia się i redukuje. Dzieje się tak, gdy pierwiastek może występować na trzech lub więcej stopniach utlenienia.
– Azot
– Sera
– Fosfor
– Mangan
Pierwiastki te to chemiczne kameleony.
Konkretne przykłady przeniesienia elektronu
Przyjrzyjmy się mechanice tego procesu.
Siarczan cynku i miedzi
Zanurz cynk w roztworze siarczanu miedzi. Cynk oddaje dwa elektrony. Utlenia się. Działa jako środek redukujący.
Miedź przyjmuje te dwa elektrony. Ona wraca do zdrowia. Działa jako środek utleniający.
Cynk wypiera miedź, wiążąc się z grupą siarczanową (SO42-). Siarczan jest solą pochodną kwasu siarkowego. Miedź potrzebowała tych dwóch elektronów, aby opuścić roztwór. Dlatego zachodzi reakcja.
Sód i chlor
Sód (Na) i gazowy chlor (Cl2) reagują, tworząc chlorek sodu (NaCl).
Sód traci jeden elektron. Jego stopień utlenienia wynosi +1.
Chlor zyskuje ten elektron. Jego stopień utlenienia wynosi -1.
Tworzą połączenie. Dostajesz sól kuchenną. Proste, zabójcze składniki. Stabilny wynik.
Utlenianie żelaza(III)
Żelazo może utleniać się do +2 lub +3. Żelazo(III) jest na wyższym stopniu utlenienia.
Żelazo uwalnia trzy elektrony. Staje się Fe3+.
Tlen zabiera dwa elektrony. Staje się O2-.
Matematyka jest tu skomplikowana. Trzy elektrony z żelaza, dwa potrzebne tlenowi. Aby zrównoważyć transfer, potrzebne są dwa atomy żelaza i trzy atomy tlenu. Tworzy się tlenek żelaza(III). Rdza na drzwiach samochodu to właśnie ten brak równowagi, który został rozwiązany.
