Mitä redoxkemia on?
Jokainen kemiallinen reaktio joko siirtää elektroneja tai ei. Ne, jotka siirtävät, ovat redox-reaktioita — pelkistymis-hapettumisreaktioita — ja niihin kuuluvat palaminen, paristot, korroosio, metallurgia ja aineenvaihdunta. Kirjanpitovälineenä, joka tekee aiheesta hallittavan, on hapetusluku: kuvitteellinen varaus, jonka atomi kantaisi, jos jokainen sidos olisi täysin ioninen. Se ei ole todellinen varaus, mutta kirjanpitona se kertoo heti, kuka menetti elektroneja, kuka sai niitä ja kuinka monta siirtyi.
Yksi sääntö muistettavaksi: LEO sanoo GER — Lose Electrons, Oxidized; Gain Electrons, Reduced (elektronien luovutus = hapettuminen; elektronien vastaanotto = pelkistyminen). Ja nimeämisen ansa: hapettava aine on laji, joka pelkistyy (se hapettaa jotakin muuta).
Hapetusluvut: algoritmi
Sääntöjä sovelletaan tiukassa järjestyksessä: alkuaine vapaana = 0; yksiatominen ioni = sen varaus; F on aina −1; O on −2, paitsi peroksideissa (H2O2, Na2O2, joissa se on −1) ja OF2:ssa (+2); H on +1, paitsi metallihydrideissä (−1); 1. ryhmän metallit +1, 2. ryhmän +2; ja kaikkien lukujen summa on yhtä kuin nettovaraus. Mikä tahansa tuntematon ratkaistaan algebrallisesti. Paneelin esiasetukset käyvät läpi klassikot: KMnO4:ssä K(+1) ja O(−2)×4 pakottavat Mn = +7; K2Cr2O7 pakottaa Cr = +6 atomia kohti; dikromaatti-anioni Cr2O72− tekee saman varauksella −2 tasapainossa. Fe3O4 on kiinnostava: algebra antaa keskiarvoksi +2,7 Fe-atomia kohti, aito sekavalenssinen oksidi (FeO·Fe2O3), jonka kaksi eri rautapaikkaa kemistit kirjoittavat +2 ja +3. Paneeli soveltaa samaa erottelua: aidot peroksidit (H2O2, Na2O2, CaO2) asettavat kunkin O:n arvoon −1, kun taas MnO2:n kaltaiset dioksidit pitävät O:n arvossa −2.
Tasapainotus puolireaktioilla
Varmin tasapainotusmenetelmä jakaa minkä tahansa redox-yhtälön hapettumispuoliskoon ja pelkistymispuoliskoon, tasapainottaa kumpikin erikseen ja kertoo sitten, jotta elektronit kumoutuvat. Jokainen puolireaktio tasapainotetaan kiinteässä järjestyksessä: (1) kaikki atomit paitsi O ja H, (2) O H2O:lla, (3) H H+:lla happamassa tai OH−:lla emäksisessä, (4) varaus elektroneilla. Paneelin esimerkki on oppikirjan permanganaatin pelkistys: MnO4− → Mn2+ hapossa tasapainottuu muotoon MnO4− + 8H+ + 5e&supminus; → Mn2+ + 4H2O — neljä vettä neljälle hapelle, kahdeksan protonia kahdeksalle vedylle, viisi elektronia sovittamaan matka +7 → +2.
Potentiaalitaulukko sarjataulukkona
Standardit pelkistyspotentiaalit E° (volteina, vetyelektrodiin SHE nolla tasan 0,00:ssa) järjestävät jokaisen puolireaktion elektronien haluun. Lue paneelin 21 merkinnän taulukkoa kuin sarjataulukkoa: F2 (+2,87) on vahvin hapetin kärjessä, Li+ (−3,04) vahvin pelkistin pohjalla, ja niiden välissä olevat metallit toistavat klassisen aktiivisuussarjan — mikä tahansa taulukossa alempana oleva pelkistynyt muoto luovuttaa elektroneja mille tahansa sitä ylempänä olevalle hapettuneelle muodolle. Siksi sinkkimetalli syrjäyttää Cu2+:n liuoksesta: elektronit virtaavat itsestään Zn:stä kohti Cu2+:a. Kennon rakentamiseksi kahdesta merkinnästä: E°kenno = E°katodi − E°anodi, ja tämän erotuksen merkki on spontaanisuuden tulos — kuuluisa Daniell-kenno yhdistää Cu:n (+0,34) ja Zn:n (−0,76), jolloin E°kenno = +1,10 V.
Nernst: pitoisuus siirtää maalitolppia
E° pätee vain 1 M:ssa ja 1 atm:ssä; Nernstin yhtälö E = E° − (RT/nF) ln Q korjaa todellisiin pitoisuuksiin (25 °C:n pikaohje E = E° − (0,0592/n) log Q on sama yhtälö numeroiden kanssa yhdistettynä). Paneelin kaksi esimerkkiä rajaavat käyttäytymisen: Zn2+/Zn-pari (E° = −0,76 V, n = 2) siirtyy pitoisuudessa Q = 0,1 arvoon E = −0,7304 V — yhä negatiivinen, eikä spontaani pelkistyksenä, mikä juuri on syy, miksi sinkki toimii anodina; Cu2+/Cu-pari (+0,34 V) pitoisuudessa Q = 0,01 nousee arvoon E = +0,3992 V, kun tuotteita niukasti sisältävät liuokset työntävät pelkistystä kovemmin. Rajalla Q → K, E → 0, ja tämä on silta tasapainovakioon ja ΔG = −nFE-yhtälöön.
Yleisiä väärinkäsityksiä
- Hapettuminen vaatii happea. Nimi on etymologinen ansa: Na → Na+ + e&supminus; on hapettumista, ilman happea missään vaiheessa. Määritelmä on elektronien menetys, eikä muuta.
- Hapettava aine hapettuu. Käännä päinvastoin: aine aiheuttaa hapettumisen ja pelkistyy itse. MnO4− on hapettava aine juuri siksi, että sen Mn (+7) laskee arvoon +2.
- Positiivisempi E° tarkoittaa vahvempaa pelkistintä. Päinvastoin: positiivinen E° = halukas pelkistymään = vahva hapetin. Vahvat pelkistimet ovat negatiivisessa päässä.
- Vety on aina +1. Vain epämetallien kanssa muodostuvissa yhdisteissä. NaH:ssa (ja LiAlH4:ssä) se on −1 — hydridi on protoni, jolla on kaksi elektronia.
Aiheeseen liittyvät työkalut: Kemiallinen tasapaino (E ja K ovat yhden vakion kaksi näkymää), Termokemia (ΔG = −nFE) ja Elektronikonfiguraatio (vaihdettavat elektronit).
