Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΑΝΤΙΛΗΨΕΩΝ


Οι κλασικές αντιλήψεις

Ο όρος οξείδωση (oxidation) οφείλεται σε ένα μεγάλο γάλλο χημικό του 18ου αιώνα, τον Antoine Lavoisier (1743-1794), και αρχικά σήμαινε την ένωση ενός στοιχείου με το οξυγόνο. Για παράδειγμα*, κατά την καύση μιας ταινίας μαγνησίου στον αέρα, το μαγνήσιο οξειδώνεται επειδή ενώνεται με το οξυγόνο, με αποτέλεσμα το σχηματισμό οξειδίου του μαγνησίου:

2Mg(s) + Ο2(g)    2MgO(s) 

*source: chemmovies.unl.edu/chemistry/redoxlp/a07.html

Ο όρος αναγωγή (reduction) προέρχεται από τη μεταλλουργία, πιο  συγκεκριμένα από τις διεργασίες εξαγωγής των μετάλλων από τα ορυκτά τους οξείδια. Επειδή όμως κατά τις διεργασίες αυτές τα οξείδια χάνουν το οξυγόνο που περιέχουν, αρχικά ο όρος αναγωγή σήμαινε την αφαίρεση οξυγόνου από μία ουσία.

Έτσι, κατά τη θερμική αποσύνθεση στα συστατικά του στοιχεία το οξειδίο του υδραργύρου (II)* ανάγεται επειδή χάνει οξυγόνο:

2HgO(s)    2Hg(l) + O2(g) 

Η αντίδραση αναγωγής του οξειδίου του υδραργύρου (II) προς υδράργυρο και οξυγόνο έχει ιστορική αξία. Μέσω αυτής, ο σύγχρονος του A. Lavoisier άγγλος χημικός Jospeh Priestley (1733-1804) κατόρθωσε το 1774 να παρασκευάσει για πρώτη φορά και να ταυτοποιήσει το οξυγόνο ως στοιχείο.

*source://hogan.chem.lsu.edu/matter/chap27/demos/dm27_013.mov

Σταδιακά, η σημασία των όρων διευρύνθηκε έτσι, ώστε το φαινόμενο της  οξείδωσης να συμπεριλάβει τις αντιδράσεις αφαίρεσης υδρογόνου από μία ουσία και το φαινόμενο της αναγωγής τις αντιδράσεις προσθήκης υδρογόνου σε μία ουσία. Έτσι, η αντίδραση διάσπασης της μεθανόλης σε μεθανάλη (φορμαλδεΰδη) και υδρογόνο:

CH3OH(l)    ΗCH=O(g) + H2(g)

θεωρήθηκε ως μία αντίδραση οξείδωσης, ενώ οι αντιδράσεις σχηματισμού των υδραλογόνων, όπως για παράδειγμα του υδροβρωμίου, από τα συστατικά τους στοιχεία, ως αντιδράσεις αναγωγής:

H2(g) + Br2(l)    2HBr(g)

Με άλλα λόγια, η οξείδωση και η αναγωγή ορίστηκαν αρχικά με μοναδικό κριτήριο τη συμμετοχή του οξυγόνου ή του υδρογόνου και προσδιόριζαν δύο διαφορετικές κατηγορίες αντιδράσεων.

Οξείδωση + αναγωγή = οξειδοαναγωγή

Με την πρόοδο της χημείας τον 19ο αιώνα, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι η σημασία και των δύο όρων θα έπρεπε να διευρυνθεί, ώστε να συμπεριλάβουν και αντιδράσεις όπου δε συμμετέχουν το οξυγόνο ή το υδρογόνο.

Με την πρόοδο της χημείας τον 19ο αιώνα, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι η σημασία και των δύο όρων θα έπρεπε να διευρυνθεί, ώστε να συμπεριλάβουν και αντιδράσεις όπου δε συμμετέχουν το οξυγόνο ή το υδρογόνο.

2Mg(s) + O2(g)    2MgO(s)      ΔΗο= - 602,08 kJ/mol  

Mg(s) + Cl2(g)    MgCl2(s)      ΔΗο= - 642,10 kJ/mol

Και οι δύο αντιδράσεις είναι ισχυρά εξώθερμες και μάλιστα οι πρότυπες ενθαλπίες τους έχουν περίπου την ίδια τιμή. Δεν είναι, λοιπόν, πιο λογικό αντί να τις διαχωρίζουμε, να θεωρήσουμε ότι γίνονται με έναν παρόμοιο μηχανισμό;   

Επιπλέον, με την εμπεριστατωμένη μελέτη πολλών αντιδράσεων έγινε αντιληπτό ότι τα δύο φαινόμενα, δηλαδή η οξείδωση και η αναγωγή, δεν είναι ανεξάρτητα, αλλά γίνονται ταυτόχρονα και παράλληλα. Παραδείγματος χάρη, στην κλασική αντίδραση της μεταλλουργίας του χαλκού:

2CuO(s) + C(s)    2Cu(s) + CO2(g)

το οξείδιο του χαλκού (II)* ανάγεται επειδή χάνει όλο το οξυγόνο που περιέχει. Παράλληλα όμως οξειδώνεται και ο άνθρακας γιατί προσλαμβάνει το οξυγόνο.

*source: //cwx.prenhall.com/petrucci/medialib/media_portfolio/text_images/020_REDUCTIONCUO.MOV

Έτσι, από το δεύτερο ήμισυ του 19ου αιώνα, η οξείδωση και η αναγωγή άρχισαν να θεωρούνται ως δύο επιμέρους και παράλληλα στάδια ενός ευρύτερου φαινομένου, που για το λόγο αυτό ονομάστηκε οξειδοαναγωγή.

Οι νεώτερες αντιλήψεις

Ο 19ος αιώνας χαρακτηρίζεται επίσης από τη θεμελίωση και ανάπτυξη της ηλεκτροχημείας. Η ηλεκτροχημεία είναι ο κλάδος της χημείας που ασχολείται με τη μελέτη της σχέσης ανάμεσα στην ηλεκτρική και τη χημική ενέργεια, μία σχέση που ξεκινάει με την κατασκευή της πρώτης μπαταρίας (1796) από τον Alessantro Volta και την πρώτη ηλεκτρόλυση του νερού (1800) από τους οι William  Nicholson και Johann Ritter.

Με την ανάπτυξη της ηλεκτροχημείας και την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου από τον J. J. Tomson το 1897, διαμορφώθηκε η πεποίθηση ότι η οξείδωση και η αναγωγή αντιστοιχούν σε αποβολή και πρόσληψη ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα, στις αρχές του 20ου αιώνα, οι χημικοί να θεωρούν ότι οι όλες οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται με μεταφορά ηλεκτρονίων ανάμεσα στα αντιδρώντα.

Ωστόσο, με την ανάπτυξη της θεωρίας των χημικών δεσμών, έγινε φανερό ότι πολλές οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις, όπως αυτές που γίνονται ανάμεσα σε ομοιοπολικές ουσίες, δεν μπορούν να θεωρηθούν ως αντιδράσεις (πλήρους) μεταφοράς ηλεκτρονίων. Το πρόβλημα αυτό επιλύθηκε με την εισαγωγή της έννοιας της οξειδωτικής κατάστασης ή αλλιώς αριθμού οξείδωσης ενός στοιχείου. Έτσι, σήμερα, ως οξειδοαναγωγικές θεωρούνται όλες οι αντιδράσεις στις οποίες παρατηρείται μεταβολή της οξειδωτικής κατάστασης ή αριθμού οξείδωσης του ατόμου ενός ή περισσοτέρων στοιχείων και αυτό ανεξαρτήτως του μηχανισμού με τον οποίο πραγματοποιούνται.