5.5 Reakcije oksidacije in redukcije
5.5 Reakcije oksidacije in redukcije
Pri poglavju o kemijski reakciji smo spoznali, da se v kemijski reakciji preuredijo atomi in nastanejo nove spojine. Posebna vrsta kemijskih reakcij so redoks reakcije.
ALI VEŠ?
Oksidacijsko število je enako naboju, ki bi ga imel atom, če bi bila spojina zgrajena le iz ionov.
5.5.1 Oksidacija, redukcija in redoks reakcije
Pri določenih kemijskih reakcijah se spremenijo oksidacijska števila elementov, ki v reakciji sodelujejo. Takšnim reakcijam rečemo redoks reakcije.
• Oksidacijsko število atoma elementa je odvisno od tega, koliko elektronov si deli z drugimi atomi v spojini, kjer so povezani z ionsko ali kovalentno vezjo.
• Sprememba oksidacijskega števila atoma pa je odvisna od tega, koliko elektronov je atom oddal ali sprejel pri kemijski reakciji. Oksidacijska števila pišemo nad simbolom elementa.
Določanje oksidacijskih števil
- Oksidacijsko število elementov je nič.
- V spojini so oksidacijska števila posameznih elementov pozitivna (+) ali negativna (-).
- Vsota oksidacijskih števil vseh atomov v nevtralni spojini je enaka nič.
- Oksidacijsko število atomov elementov prve skupine je +1, druge +2, aluminija iz tretje skupine pa +3.
- Kadar so atomi elementov iz pete, šeste ali sedme skupine v spojinah s kovinami, so njihova oksidacijska števila -3, -2, -1.
Poskus: reakcija magnezija s klorovodikovo kislino
Košček magnezijevega traku potopimo v 1 M raztopino HCl.
Enačba reakcije je:
Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)
Opazimo izhajanje mehurčkov, ker pri reakciji nastaja plin vodik. Reakcija je eksotermna, zato se čaša z raztopino segreje.
Ugotovitev: Pri reakciji sta se spremenili oksidacijski števili magnezija in vodika. Oksidacijsko število kloridnega iona je ostalo nespremenjeno.
Zapišimo reakcijo magnezija in klorovodikove kisline z oksidacijskimi števili:
To reakcijo bomo analizirali tako, da bomo ugotovili, katerim atomom se spremeni oksidacijsko število, in zapisali delne reakcije, ki potekajo.
Kovinski magnezij, ki je nevtralen atom z oksidacijskim številom 0, je pri tej reakciji oddal dva elektrona, pri čemer je nastal magnezijev ion Mg2+.
• Procesu oddajanja elektronov rečemo oksidacija. Oksidacijsko število atoma se pri oksidaciji zviša.
Magnezij pri tej reakciji odda dva elektrona, kar bi lahko zapisali tudi takole:
Vendar enačbe reakcij raje pišemo tako, da so v njih samo plus predznaki. Zato v gornji enačbi prestavimo oba elektrona na desno stran, s čimer se seveda spremeni tudi predznak:
Oba elektrona, ki jih je oddal magnezij, sprejmejo vodikovi ioni, H+ v klorovodikovi kislini, HCl. Vsak vodikov ion sprejme po en elektron. Iz dveh vodikovih ionov nastane na ta način nevtralna molekula H2.
• Procesu sprejemanja elektronov rečemo redukcija. Oksidacijsko število atoma se pri redukciji zniža.
• Pri reakciji magnezija s klorovodikovo kislino potekata redukcija in oksidacija vedno hkrati. Takšno reakcijo zato imenujemo redoks reakcija.
Magnezij je oddal elektrone vodikovim ionom in se je torej oksidiral. Vodikovi ioni so elektrone sprejeli in se s tem reducirali; zato rečemo, da je pri tej reakciji magnezij reducent, ker je povzročil redukcijo vodikovih ionov.
Vodikova iona sta sprejela dva elektrona od magnezija in se pri tem reducirala. Vodikovi ioni so povzročili oksidacijo magnezija, zato je snov v kateri so vodikovi ioni oksidant. Torej HCl je v tej reakciji oksidant. Mg pa je reducent.
• Oksidant je snov, ki se pri reakciji reducira (ker druge oksidira).
• Reducent je snov, ki se oksidira (ker druge reducira).
Redoks reakcija je tudi rjavenje železa, ki poteče ob stiku železnega predmeta z vodo in kisikom. Poteče več reakcij, pri tem nastanejo železovi oksidi.
ALI VEŠ?
Redoks reakcije so najbolj pogoste v naravi, npr. spajanje s kisikom, reakcije, ki potekajo v telesu, reakcije, ki omogočajo izkoriščanje električne energije galvanskih členov in podobno.
5.5.2 Urejanje enačb redoks reakcij
Poznavanje oksidacijskih števil nam bo v pomoč pri urejanju enačb redoks reakcij, ki so lahko včasih zelo kompleksne.
ALI VEŠ?
Enostavne redoks reakcije, na primer enačbo reakcije sinteze amonijaka, lahko uredimo kar z ugibanjem.
Primer: reakcija sinteze amonijaka N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
(agregatnih stanj pri tej razlagi ne bomo pisali)
1. Najprej napišemo reakcijo z oksidacijskimi števili.
2. Ugotovimo, kako se spremenijo oksidacijska števila ter katera snov se oksidira in katera reducira.
Pri reakciji se dušiku in vodiku spremeni oksidacijsko število. Oba sta v elementarnem stanju, zato je oksidacijsko število 0. Zapišemo samo spremembe oksidacijskega števila za vodik in dušik:
Vodikov atom odda en elektron. Ker je reaktant molekula vodika, odda 2 ∙ 1 = 2 elektrona.
Dušikov atom sprejme 3 elektrone. Ker je reaktant molekula dušika, sprejme 2 ∙ 3 = 6 elektronov.
3. Število elektronov, ki jih reducent odda, mora biti enako številu elektronov, ki jih oksidant sprejme. Poiščemo najmanjši skupni večkratnik števila sprejetih in oddanih elektronov. Število elektronov, ki jih vodik odda, zapišemo kot koeficient pred dušik, število elektronov, ki jih dušik sprejme, pa zapišemo kot koeficient pred vodik.
Te koeficiente zapišemo pred reaktante na levi strani enačbe in uredimo še desno stran:
2 N2(g) + 6 H2(g) → 4 NH3(g)
Stehiometrične koeficiente pri reakciji nato delimo z dva, da so čim nižji. Potrebujemo torej tri molekule vodika in eno molekulo dušika.
Urejena enačba te reakcije je:
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
5.5.3 Galvanski členi
Pri redoks reakcijah pride do izmenjave elektronov med snovmi, kar predstavimo z delnima reakcijama. Dogovor je, da v obeh delnih reakcijah pišemo ione z njihovimi naboji.
• Če lahko reakcijo izvedemo tako, da ločimo prostora, kjer potekata delni reakciji oksidacije in redukcije, dobimo galvanski člen.
• Če tok elektronov usmerimo, je takšen galvanski člen vir enosmernega električnega toka, ki lahko poganja najrazličnejša vezja, npr. vezje ročne ure ali mobilnega telefona (zato ura teče, z mobilnim telefonom pa lahko telefoniramo).
• Galvanski člen opravlja pri tem električno delo, saj »potiska« elektrone skozi omenjena vezja – v galvanskem členu dobimo na račun kemijske reakcije električno energijo.
Primer: reakcija med cinkom(II) in bakrovim sulfatom(VI)
Zn(s) + CuSO4(aq) → ZnSO4(aq) + Cu(s)
Oksidacija: Zn0(s) → Zn2+(aq) + 2e-
Redukcija: Cu2+(aq) + 2e- → Cu0(s)
Galvanski člen ima dva polčlena:
• po dogovoru je na desni strani tisti polčlen, kjer poteka redukcija (bakrov polčlen),
• na levi strani pa je tisti polčlen, kjer poteka oksidacija (cinkov polčlen).
V vsakem polčlenu je raztopina ionov in ustrezna kovinska ploščica, ki jo imenujemo elektroda.
Izmenjava elektronov poteče sedaj med kovinsko elektrodo in ioni v raztopini, na primer med Cu(s) elektrodo in Cu2+(aq).
• Kovinsko elektrodo, na kateri poteka redukcija, imenujemo katoda.
• Kovinsko elektrodo, na kateri poteka oksidacija, pa imenujemo anoda.
Anoda je negativna elektroda (ker se na njej »kopičijo« elektroni), katoda pa je pozitivna elektroda (ker se na njej »porabljajo« elektroni, jih je torej manj).
Če raztopini v obeh polčlenih povežemo z elektrolitskim ključem in obe elektrodi z žico, dobimo galvanski člen, ki ima točno določeno električno napetost. Tokokrog je tako sklenjen, zato skozi takšen galvanski člen steče električni tok.
ALI VEŠ?
Če žico prekinemo in vežemo v tokokrog na primer žarnico, bo ta tok stekel tudi skozi njo, zato bo žarnica zasvetila. Če pa na to mesto vežemo voltmeter, lahko izmerimo električno napetost galvanskega člena.
Skupno reakcijo v galvanskem členu pišemo v ionski obliki, in sicer tako, da seštejemo levi in desni strani obeh delnih reakcij; anionov zaradi enostavnosti ne pišemo (ker se med reakcijo ne spremenijo). Obe delni reakciji moramo napisati tako, da se izmenja enako število elektronov.
Elektrolitski ključ je običajno nasičena raztopina KCl, KNO3 ali NaNO3 v agarju. Kakšna je njegova vloga?
Anioni snovi iz elektrolitskega ključa (Cl–ali pa NO3–) prehajajo v raztopino tistega polčlena, kjer se zaradi oksidacije pojavi višek kationov (cinkov polčlen), kationi (K+ ali Na+) pa v raztopino polčlena, iz katere se kationi izločajo in jih torej primanjkuje (bakrov polčlen). S tem se ohrani električna nevtralnost obeh raztopin.
S kombinacijo različnih parov polčlenov dobimo različne galvanske člene. Galvanske člene na splošno delimo na:
• primarne, ki jih ne moremo ponovno napolniti, in
• sekundarne, ki jih lahko ponovno napolnimo tako, da jih priključimo na vir enosmernega toka.
5.5.4 Elektrokemijska napetostna vrsta
Ione lahko razvrstimo po njihovi težnji po redukciji; taki razvrstitvi rečemo elektrokemijska napetostna vrsta.
Merilo za težnjo ionov po redukciji je standardni elektrodni potencial, Eo.
• Čim bolj je pozitiven, tem lažje se ioni reducirajo.
• Čim manj je pozitiven oziroma čim bolj je negativen, tem lažje poteče oksidacija v tem polčlenu.
Glede na velikost in predznak standardnega elektrodnega potenciala so elementi razvrščeni v elektrokemijsko napetostno vrsto ali redoks vrsto.
• V redoks vrsti so vse reakcije napisane v obliki redukcije.
• Položaj v vrsti odraža težnjo iona po redukciji. Ta je tem večja, čim bolj pozitiven je standardni elektrodni potencial za to reakcijo.
Za primerjavo je bil izbran standardni vodikov polčlen, ki so mu pripisali standardni elektrodni potencial 0,000 V. Vodikov polčlen je v preglednici označen z rdečo barvo.
Čim negativnejši je standardni elektrodni potencial, tem rajši se kovina oksidira, tem močnejši reducent je in tem bolj na začetku redoks vrste je. Npr. litij je najmočnejši reducent, fluor pa najšibkejši reducent oziroma najmočnejši oksidant. Žlahtne kovine, npr. zlato, srebro in platina, so le malo reaktivne. To pomeni, da se npr. ioni zlata v kombinaciji z drugimi kovinami najlažje reducirajo, pri čemer nastane elementarno zlato.
ALI VEŠ?
Termoelektrarna v Šoštanju proizvaja letno okrog 3500 GWh, kar je tretjina potreb po električni energiji v Sloveniji.
5.5.5 Elektroliza
Pogosto želimo, da neka reakcija poteče v točno določeno smer. Eden od načinov, da to dosežemo, je z uporabo vira enosmernega toka, na katerega priključimo dve elektrodi. Če elektrodi potopimo v talino ali raztopino ionskih snovi, steče električni tok. Trdne ionske snovi namreč ne prevajajo električnega toka.
Pri prehodu električnega toka skozi talino ali raztopino neke ionske snovi se na elektrodah odvijejo kemijske spremembe. Ta proces imenujemo elektroliza.
• Proces poteka v elektrolitski celici.
• Produkti elektrolize soli so vsaj eden ali več elementov, iz katerih je sol sestavljena, lahko pa tudi vodik ali kisik.
• Elektrolizo v industriji veliko uporabljajo, npr. za pridobivanje kovin iz rud.
ALI VEŠ?
Proces elektrolize je ravno obraten kot v primeru galvanskih členov, kjer smo na račun kemijske reakcije dobili električno energijo.
Primer: elektroliza taline soli NaCl
Če segrejemo trdno sol natrijev klorid (NaCl) na dovolj visoko temperaturo, se stali. Ioni Na+(l) in Cl–(l) postanejo gibljivi in talina prevaja električni tok.
V talino vstavimo dve grafitni elektrodi, na njiju priključimo vir enosmernega toka, npr. baterijo, kot to prikazuje slika. Na elektrolizno celico moramo priključiti vir enosmernega toka, katerega napetost bo vsaj 4,07 V, da bo elektroliza taline NaCl potekla.
ALI VEŠ?
Pri galvanskih členih in v elektrolitski celici imenujemo tisto elektrodo, na kateri poteka oksidacija, anoda. Na katodi poteka redukcija. V elektrolitski celici pa so predznaki elektrod ravno nasprotni kot v galvanskem členu, kjer je bila anoda negativna elektroda.
Pozitivno nabiti Na+ kationi potujejo proti negativni elektrodi, kjer se reducirajo. To elektrodo imenujemo zato katoda. Elektrodi služita samo za izmenjavo elektronov, sami pa pri reakciji ne sodelujeta. Rečemo tudi, da sta kemijsko nedejavni (inertni).
Na podoben način pridobivajo magnezij in klor iz taline magnezijevega klorida.
Koliko snovi se izloči pri elektrolizi?
Koliko snovi se pri elektrolizi izloči, je odvisno od tega, kolikšen tok je tekel in kako dolgo.
Prva ugotovitev je, da je masa snovi, ki se pri elektrolizi izloči na elektrodi, odvisna od količine naboja (Q), ki je pretekla med elektrolizo; temu rečemo tudi elektrenina.
Enota za električni tok je amper (A), čas pa izražamo v sekundah (s). Enota za naboj je tako ampersekunda (As). Tej enoti rečemo tudi coulomb (C): 1 C = 1 As.
Iz pretečene elektrenine in Faradayeve konstante lahko izračunamo množino snovi, ki se izloči pri elektrolizi v določenem času:
ALI VEŠ?
Na akumulatorjih lahko najdete navedeno tako imenovano kapaciteto akumulatorja. Tipični akumulator ima kapaciteto 60 Ah. To pomeni, da lahko takšen akumulator eno uro zagotavlja tok 60 A, ali pa 60 ur tok 1 A: Q = I ∙ t = 60 A ∙ 1 h = 1 A ∙ 60 h = 60 Ah.
ALI VEŠ?
V času, ko preteče skozi talino ali raztopino 96500 As elektrenine, se izloči 1 mol enovalentne kovine. S to številko je povezana Faradayeva konstanta, F = 96500 As/mol.
Kako določimo število izmenjanih elektronov z?
Najprej napišemo reakcijo, ki poteka pri redukciji iona (gl. preglednico spodaj). Iz te določimo število elektronov, ki se izmenjajo.
Primer: Koliko gramov natrija se izloči na katodi pri elektrolizi taline NaCl, če teče skozi raztopino dve uri električni tok 1 A?
5.5.6 Galvanizacija
Predmeti iz železa in jekla, ki so izpostavljeni plinom v zraku in vlagi, sčasoma oksidirajo. Procesu pravimo rjavenje (korozija) in smo ga spoznali. Zato je potrebno takšne predmete zaščititi.
Postopek, s katerim površino kovinskega predmeta prekrijejo z zaščitno plastjo neke druge kovine, imenujemo galvanizacija.
• Ta postopek uporabljajo zaradi korozijske zaščite, pa tudi zaradi boljše mehanske odpornosti, električne prevodnosti in videza (sijaja) predmetov.
• V ta namen se največ uporabljajo cink (postopek se imenuje cinkanje), krom (kromiranje), nikelj (nikljanje) ter manj pogosto še baker (bakrenje), kositer (kositranje) in tudi zlato (zlatenje).
Galvanizirano jeklo postane na ta način odpornejše proti koroziji; v primeru pocinkanega jekla postane v stiku z vlago cink »žrtvena« kovina. To pomeni, da bodo kisik iz zraka in kisline raje reagirali s cinkom, pri čemer se ta oksidira, zato bo jeklena notranjost predmeta zaščitena. S pravilnim vzdrževanjem predmetov, lahko traja več desetletij, preden začne rjaveti tudi jeklena notranjost.
Zaščitno plast kovine nanašajo na predmete tako, da jih potopijo v raztaljeno kovino ali pa uporabijo elektro galvanizacijo. Pri tej zadnji nanašajo zaščitno kovinsko plast s pomočjo elektrolize: v elektrolizni celici vežejo kovinski predmet kot negativno elektrodo (katodo). Na anodi, ki je lahko npr. cink, poteka oksidacija; cink se raztaplja, nastanejo Zn2+ ioni. Ti potujejo na katodo, se tam reducirajo in izločijo kot tanka zaščitna plast. Katione pa lahko v obliki soli dodajajo tudi v galvansko kad. Pri postopku uporabljajo tudi še razne dodatke, npr. za lepši sijaj in enakomernejši nanos. Na ta način poteka galvanizacija matic in vijakov ter avtomobilske pločevin
Katodna zaščita
V nekaterih primerih uporabijo tudi trakove ali palice iz kovin cinka, magnezija ali aluminija, ki postanejo tako imenovana »žrtvena anoda«; ta kovina se oksidira (rjavi), namesto da bi rjavelo železo ali jeklo.
Temu postopku pravimo katodna zaščita predmetov, saj je v navedenem primeru jeklo katoda. Anoda in katoda morata biti v stiku bodisi preko žice ali pa direktno. Za to vrsto zaščite ni potrebna zunanja napetost.
Utrjujem znanje