χημεία από τον Σταυρακαντωνάκη Γιώργο Χημικό -Λύκειο Γαζίου Ηράκλειο mailto:stayrakant@sch.gr |
![]() ![]()
|
B' Τάξη Βιβλίο Χημεία Θετικής & Τεχνολογικής Κατεύθυνσης Κεφάλαιο 5 (16,5MB) Διαφάνειες Βιβλίο Καθηγητή, Λύσεις ασκήσεων
5,1 Χαρακτηριστικά οξειδωτικών και αναγωγικών σωμάτων 5.2 Συμπλήρωση ημιαντίδρασης οξείδωσης αναγωγικού σώματος 5.3 Ημιαντιδράσεις στις κατηγορίες των αναγωγικών σωμάτων 5.4 Συμπλήρωση ημιαντίδρασης αναγωγής οξειδωτικού σώματος 5.5 Ημιαντιδράσεις στις κατηγορίες των οξειδωτικών σωμάτων 5.6 Συμπλήρωση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής με τη μέθοδο των ημιαντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής 5.7 Εισαγωγή στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις
Εισαγωγή στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις Τα φαινόμενα της οξείδωσης και της αναγωγής έχουν πολύ μεγάλο ενδιαφέρον γιατί συμβαίνουν σε πολλές σημαντικές διεργασίες με μεγάλη σημασία για τη ζωή του ανθρώπου. Στη
βιολογία η αναπνοή των αερόβιων οργανισμών, η φωτοσύνθεση, η δέσμευση του
ατμοσφαιρικού αζώτου από τις ρίζες των ψυχανθών και η μετατροπή του σε
παράγωγα της αμμωνίας, οι καύσεις είναι μερικά παραδείγματα αντιδράσεων
οξειδοαναγωγής με μεγάλο και ουσιαστικό ενδιαφέρον για τη ζωή. 1.2 Τι είναι ο αριθμός οξείδωσης
Αριθμός
οξείδωσης ενός ιόντος σε μια ετεροπολική ένωση ονομάζουμε το πραγματικό φορτίο
του ιόντος, ενώ ενός ατόμου σε μια ομοιοπολική ένωση ονομάζουμε το φαινομενικό
φορτίο που θα αποκτήσει το άτομο όταν το κοινό ή τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων
αποδοθούν στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο της ένωσης.
Για την εύρεση των αριθμών οξείδωσης στοιχείων σε ενώσεις ακολουθούμε τους παρακάτω κανόνες:
Παράδειγμα 1:
α) Οι
αριθμοί οξείδωσης για το Na είναι +1 και για το Ο είναι -2, άρα θα έχουμε:
β) Οι
αριθμοί οξείδωσης για το Κ είναι +1 και για το Ο είναι -2, άρα θα έχουμε:
γ) Οι
αριθμοί οξείδωσης για το Η είναι +1 και για το Ο είναι -2, άρα θα έχουμε:
Παράδειγμα 2:
α) Ο
αριθμός οξείδωσης του Ο είναι -2, άρα θα έχουμε:
β) Ο
αριθμός οξείδωσης του Ο είναι -2, άρα θα έχουμε:
γ) Ο
αριθμός οξείδωσης του Η είναι +1, άρα θα έχουμε: 1.3 Τι είναι η οξείδωση και τι η αναγωγή 1) Πριν γίνει γνωστή η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων δόθηκαν οι εξής ορισμοί για την οξείδωση και την αναγωγή: Οξείδωση είναι η ένωση ενός στοιχείου με το οξυγόνο ή η αφαίρεση υδρογόνου από μία ένωση
Παράδειγμα: Αναγωγή είναι η ένωση ενός στοιχείου με το υδρογόνο ή η αφαίρεση οξυγόνου από μία ένωση
Παράδειγμα: 2) Μετά από την εύρεση της ηλεκτρονιακής θεωρίας και την κατανόηση των χημικών δεσμών δόθηκαν οι εξής ορισμοί για την οξείδωση και την αναγωγή: Οξείδωση είναι η αποβολή ηλεκτρονίων Αναγωγή είναι η πρόσληψη ηλεκτρονίων
Παράδειγμα: Κάθε
άτομο Zn αποβάλλει 2e- από την εξωτερική του
στιβάδα και μετατρέπεται σε ιόν ψευδαργύρου Zn2+.
Αυτή η μετατροπή αποδίδεται από τη χημική εξίσωση που ονομάζεται και
ημιαντίδραση οξείδωσης: Γίνεται λοιπόν φανερό ότι μία ημιαντίδραση οξείδωσης (αποβολή e-), δεν μπορεί να συμβαίνει ξεχωριστά από μία ημιαντίδραση αναγωγής (πρόσληψη e-). Αυτό συμβαίνει γιατί τα e- που χάνει ένα στοιχείο ή μία ένωση πρέπει να τα προσλαμβάνει ένα άλλο στοιχείο ή μία ένωση. Άρα δεν μπορούμε να διαχωρίσουμε το φαινόμενο της οξείδωσης από αυτό της αναγωγής γι’ αυτό και χρησιμοποιούμε τον όρο φαινόμενο οξειδοαναγωγής. Η χημική εξίσωση που περιγράφει αυτό το φαινόμενο της οξειδοαναγωγής προκύπτει από την πρόσθεση των δύο ημιαντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής ως εξής: Ημιαντίδραση οξείδωσης: Zn → Zn 2+ + 2e- Ημιαντίδραση αναγωγής: ½O2 + 2e- → O 2- Συνολική οξειδοαναγωγική αντίδραση Zn + ½O2 → Ζn 2+ + O 2- Τελική οξειδοαναγωγική αντίδραση Zn + ½O2 → ZnO
3)
Ο ορισμός της οξείδωσης και της αναγωγής με την ηλετρονική θεωρία
αποδεικνύεται ανεπαρκής για την περίπτωση των ομοιοπολικών ενώσεων στις οποίες
δεν υπάρχει αποβολή-πρόσληψη ηλεκτρονίων αλλά αμοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων.
Έτσι ορίστηκε ο αριθμός οξείδωσης με τη βοήθεια του οποίου δόθηκε ο σύγχρονος
πλέον ορισμός για το τι είναι οξείδωση και τι αναγωγή. Άρα: Οξείδωση είναι η αύξηση του αριθμού οξείδωσης (Α.Ο) Αναγωγή είναι η μείωση του αριθμού οξείδωσης (Α.Ο) Συμπερασματικά:
Χαρακτηριστικά οξειδωτικών και αναγωγικών σωμάτων Ένα σώμα (στοιχείο, χημική ένωση ή ιόν) λέγεται οξειδωτικό όταν προκαλεί οξείδωση ενώ το ίδιο ανάγεται. Τα οξειδωτικά σώματα περιέχουν άτομα που μπορούν να αναχθούν δηλαδή να μειώσουν τον αριθμό οξείδωσής τους. Ένα σώμα (στοιχείο, χημική ένωση ή ιόν) λέγεται αναγωγικό όταν προκαλεί αναγωγή ενώ το ίδιο οξειδώνεται. Τα αναγωγικά σώματα περιέχουν άτομα που μπορούν να οξειδωθούν δηλαδή να αυξήσουν τον αριθμό οξείδωσής τους.
Παράδειγμα: Ο Ag+ χαρακτηρίζεται ως οξειδωτικό σώμα γιατί προκαλεί την οξείδωση του Fe2+ σε Fe3+ (αύξηση του αριθμού οξείδωσης από +2 σε +3) , ενώ ο ίδιος ανάγεται σε Ag (μείωση του αριθμού οξείδωσης από +1 σε 0). Ο Fe2+ χαρακτηρίζεται ως αναγωγικό σώμα γιατί προκαλεί αναγωγή του Ag+ σε Ag (μείωση του αριθμού οξείδωσης από +1 σε 0), ενώ ο ίδιος οξειδώνεται σε Fe3+ (αύξηση του αριθμού οξείδωσης από +2 σε +3). Τόσο τα οξειδωτικά όσο και τα αναγωγικά σώματα εμφανίζονται σε ζεύγη οξειδωμένης / αναγμένης μορφής.
Παράδειγμα: Fe2+ / Fe3+ αναγμένη μορφή 2 / οξειδωμένη μορφή 2 Το οξειδωτικό σώμα βρίσκεται με την οξειδωμένη μορφή και μετατρέπεται στην αναγμένη του μορφή. Αντίστοιχα το αναγωγικό σώμα βρίσκεται με την αναγμένη μορφή και μετατρέπεται στην οξειδωμένη του μορφή. Όσο ισχυρότερο είναι το οξειδωτικό σώμα, τόσο ασθενέστερη είναι η αναγμένη μορφή στην οποία μετατρέπεται. Επίσης όσο ισχυρότερο είναι το αναγωγικό σώμα, τόσο ασθενέστερη είναι η οξειδωμένη μορφή στην οποία μετατρέπεται. Αυτά μπορούν να απεικονιστούν στο γενικό σχήμα:
Οξειδωτικό 1 + Αναγωγικό 2 →
Αναγωγικό 1 + Οξειδωτικό 2 Οξειδωτικό σώμα 1: Προκαλεί οξείδωση - Το ίδιο ανάγεται - Προσλαμβάνει e- - Μειώνεται ο Α.Ο - Βρίσκεται με την οξειδωμένη του μορφή - Ισχυρή οξειδωμένη μορφή 1 Αναγωγικό σώμα 2: Προκαλεί αναγωγή - Το ίδιο οξειδώνεται – Αποβάλλει e- - Αυξάνεται ο Α.Ο - Βρίσκεται με την αναγμένη του μορφή – Ισχυρή αναγμένη μορφή 2 Αναγωγικό 1: Ασθενής αναγμένη μορφή 1 Οξειδωτικό 2: Ασθενής οξειδωμένη μορφή 2 Ένα οξειδωτικό σώμα είναι τόσο ισχυρότερο, όσο μεγαλύτερη τάση έχει για πρόσληψη ηλεκτρονίων, ενώ ένα αναγωγικό είναι τόσο ισχυρότερο, όσο μεγαλύτερη τάση έχει για απόδοση ηλεκτρονίων. Τα οξειδωτικά σώματα περιέχουν κατά κανόνα, στοιχείο με σχετικά μεγάλο αριθμό οξείδωσης, ενώ τα αναγωγικά περιέχουν στοιχείο με σχετικά μικρό αριθμό οξείδωσης. Μια ουσία που περιέχει στοιχείο με ενδιάμεσο αριθμό οξείδωσης μπορεί να συμπεριφέρεται είτε σαν αναγωγικό (παρουσία ισχυρότερου οξειδωτικού) είτε σαν οξειδωτικό (παρουσία ισχυρότερου αναγωγικού) Η οξειδωτική και αναγωγική ισχύς των οξειδωτικών και αναγωγικών σωμάτων εκφράζεται με το κανονικό δυναμικό οξειδοαναγωγής των ημιστοιχείων των οξειδοαναγωγικών ζευγών και μετριέται με μεγάλη ακρίβεια πειραματικά.
Παράδειγμα:
Στο
ΗΝΟ3 το Ν έχει το μεγαλύτερο αριθμό
οξείδωσης και άρα μπορεί να δράσει μόνο σαν οξειδωτικό σώμα δηλαδή να
προκαλέσει οξείδωση και το ίδιο να αναχθεί κατεβαίνοντας τη σκάλα
οξειδοαναγωγής.
Τα κυριότερα οξειδωτικά και αναγωγικά σώματα βρίσκονται στους παρακάτω πίνακες: Πίνακας 1:
Πίνακας 2:
5.2 Συμπλήρωση ημιαντίδρασης οξείδωσης αναγωγικού σώματος Τόσο στα ηλεκτρολυτικά όσο και στα γαλβανικά στοιχεία η ημιαντίδραση οξείδωσης πραγματοποιείται στο ηλεκτρόδιο της ανόδου. Για τη συμπλήρωση μιας τέτοιας ημιαντίδρασης ακολουθούμε τα εξής βήματα:
Παράδειγμα 1:
Παράδειγμα 2:
Παράδειγμα 3:
Παρατήρηση: Παράδειγμα:
5.3 Ημιαντιδράσεις στις κατηγορίες των αναγωγικών σωμάτων
1. Στοιχεία:
2.
Οξείδια:
3.
Οξέα:
4. Βάσεις
5.
Άλατα
5.4 Ημιαντιδράσεις στις κατηγορίες των οξειδωτικών σωμάτων
1.
Στοιχεία:
2.
Οξείδια:
3.
Οξέα:
4.
Άλατα: Παρατήρηση: Όταν το οξειδωτικό ή
το αναγωγικό σώμα είναι ισχυρός ηλεκτρολύτης, γράφεται με την πραγματική μορφή
που βρίσκεται στο διάλυμα, δηλαδή με τη μορφή ιόντων. Ένα απ’ αυτά αποτελεί το
δραστικό ιόν με το οποίο και εκφράζεται η οξειδωτική ή αναγωγική δράση του
ηλεκτρολύτη. Παράδειγμα 1: (MnO4- + 5e- + 8H+→ Mn2+ + 4H2O ) είναι πιο μπροστά στην κλίμακα της οξειδωτικής ισχύος απ’ ότι η ημιαντίδραση αναγωγής του οξειδοαναγωγικού ζεύγους Κ / Κ+: ( Κ+ + e- → K ) πράγμα που σημαίνει ότι το ιόν του MnO4- είναι πιο ισχυρό οξειδωτικό απ’ ότι το Κ+ και άρα αυτό θα υποστεί την αναγωγή.
Πίνακας 3:
Συμπλήρωση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής με τη μέθοδο των ημιαντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής Κάθε οξειδοαναγωγική
αντίδραση είναι ουσιαστικό το αποτέλεσμα πρόσθεσης των δύο ημιαντιδράσεων
οξείδωσης και αναγωγής από τις οποίες αποτελείται.
Παράδειγμα 1: Βήμα 1. Βρίσκουμε πρώτα τις ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής:
Ημιαντίδραση
οξείδωσης: SO2
→ H2SO4
Ημιαντίδραση αναγωγής:
Cr2O7 2-
→
2Cr3+ Βήμα 2. Πολλαπλασιάζουμε την ημιαντίδραση οξείδωσης επί 3 ώστε να εξισωθεί ο αριθμός των ηλεκτρονίων στις δύο ημιαντιδράσεις: Ημιαντίδραση οξείδωσης X 3: 3SO2 + 6H2O → 3H2SO4 + 6e- + 6H+ Βήμα 3. Προσθέτουμε κατά μέλη τις δύο ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής ώστε να προκύψει η συνολική αντίδραση: Ημιαντίδραση οξείδωσης: 3SO2 + 6H2O → 3H2SO4 + 6e- + 6H+ Ημιαντίδραση αναγωγής: Cr2O7 2- + 6e- + 14H+ → 2Cr 3++7H2O
Συνολική οξειδοαναγωγική
αντίδραση:
Παράδειγμα 2: Βήμα 1. Βρίσκουμε πρώτα τις ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής: Ημιαντίδραση οξείδωσης: Fe 2+ → Fe 3+ + e-
Ημιαντίδραση
αναγωγής: MnO4- → Mn
2+ Βήμα 2. Πολλαπλασιάζουμε την ημιαντίδραση οξείδωσης επί 5 ώστε να εξισωθεί ο αριθμός των ηλεκτρονίων στις δύο ημιαντιδράσεις: Ημιαντίδραση οξείδωσης X 5: 5Fe 2+ → 5Fe 3+ + 5e- Βήμα 3. Προσθέτουμε κατά μέλη τις δύο ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής ώστε να προκύψει η συνολική αντίδραση: Ημιαντίδραση οξείδωσης: 5Fe 2+ → 5Fe 3+ + 5e- Ημιαντίδραση αναγωγής: MnO4- + 5e- + 8H+ → Mn2+ + 4H2O
Συνολική οξειδοαναγωγική
αντίδραση:
Παράδειγμα 3: Βήμα 1. Βρίσκουμε πρώτα τις ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής: Ημιαντίδραση οξείδωσης: 2Br- → Br2 + 2e-
Ημιαντίδραση
αναγωγής: Cr2O7
2- → 2Cr
3+ Βήμα 2. Πολλαπλασιάζουμε την ημιαντίδραση οξείδωσης επί 3 ώστε να εξισωθεί ο αριθμός των ηλεκτρονίων στις δύο ημιαντιδράσεις: Ημιαντίδραση οξείδωσης X 3: 6Br- → 3Br2 + 6e- Βήμα 3. Προσθέτουμε κατά μέλη τις δύο ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής ώστε να προκύψει η συνολική αντίδραση: Ημιαντίδραση οξείδωσης: 6Br- → 3Br2 + 6e- Ημιαντίδραση αναγωγής: Cr2O7 2- + 6e- + 14H+ 2Cr 3+ +7H2O
Συνολική οξειδοαναγωγική
αντίδραση: |
|