If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Chemia - program rozszerzony

Kurs: Chemia - program rozszerzony > Rozdział 3

Lekcja 1: Rodzaje reakcji chemicznych
Nauki przyrodnicze
Chemia - program rozszerzony
Reakcje chemiczne
Rodzaje reakcji chemicznych
© 2023 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie

Utlenianie i redukcja, czyli reakcje redoks

Google Classroom

Czym jest reakcja utleniania-redukcji?

Promienie słoneczne oświetlające jasne liście rośliny.
Rośliny używają fotosyntezy, procesu redox, aby uzyskać energię ze słońca. Źródło: Eschtar M. w Pixabay, CC0 1.0.
Reakcja utleniania-redukcji lub reakcja redox to reakcja polegająca na przenoszeniu elektronów pomiędzy cząstkami chemicznymi (atomy, jony lub cząsteczki biorące udział w reakcji). Reakcje redox można zaobserwować wokół nas: spalanie paliw, korozja metali, a nawet procesy fotosyntezy i oddychania komórkowego wymagają utleniania i redukcji. Poniżej przedstawiono kilka przykładów reakcji redox.
CHX4(g)+2 OX2(g)→COX2(g)+2 HX2O(g)(spalanie metanu)\small{\ce{CH4}(g) + \ce{2O2}(g) \rightarrow \ce{CO2}(g) + \ce{2H2O}(g)\kern0.75em(\text{spalanie metanu})}
2 Cu(s)+OX2(g)→2 CuO(s)(utlenianie miedzi)\small{\ce{2Cu}(s) + \ce{O2}(g) \rightarrow \ce{2CuO}(s)\kern7.65em (\text{utlenianie miedzi})}
6 COX2(g)+6 HX2O(c)→CX6HX12OX6(s)+6 OX2(g)(fotosynteza)\small{\ce{6CO2}(g) + \ce{6H2O}(c) \rightarrow \ce{C6H12O6}(s) + \ce{6O2}(g)\kern1.90em(\text{fotosynteza})}
Podczas reakcji redox niektóre cząstki podlegają utlenianiu, lub utracie elektronów, podczas gdy inne podlegają redukcji, lub zyskowi elektronów. Jako przykład można rozważyć reakcję między żelazem a tlenem, której produktem jest rdza:
4 Fe(s)+3 OX2(g)→2 FeX2OX3(s)(rdzewienie z˙elaza)\small{\ce{4Fe}(s) + \ce{3O2}(g) \rightarrow \ce{2Fe2O3}(s)\kern8.65em(\text{rdzewienie żelaza})}
W tej reakcji F, e na zerowym stopniu utlenienia traci elektrony, tworząc FeX3+\ce{Fe^3+}, a cząsteczka OX2\ce{O2} na zerowym stopniu utlenienia zyskuje elektrony, tworząc OX2−\ce{O^2-}. Innymi słowy, żelazo ulega utlenieniu a tlen redukcji. Co ważne, utlenianie i redukcja nie występuje tylko między metalami i niemetalami. Elektrony mogą również przenosić się między substancjami niemetalicznymi, jak pokazują przykłady spalania i fotosyntezy powyżej.

Stopnie utlenienia

W jaki sposób możemy ustalić, czy konkretna reakcja jest reakcją redox? W niektórych przypadkach jest to możliwe po prostu poprzez obserwację. Ustaliliśmy na przykład, że rdzewienie żelaza jest procesem redox, po prostu zauważając, że wiąże się z tworzeniem jonów (FeX3+\ce{Fe^3+} i OX2−\ce{O^2-}) z wolnych pierwiastków (F, e i OX2\ce{O2}). Jednak w innych przypadkach nie jest to tak oczywiste, zwłaszcza gdy omawiana reakcja dotyczy tylko niemetali.
Aby pomóc w identyfikacji tych mniej oczywistych reakcji redox, chemicy opracowali koncepcję stopni utlenienia, która umożliwia śledzenie elektronów przed reakcją i po niej. Stopień utlenienia atomu jest fikcyjnym ładunkiem, który atom miałby, gdyby jego wszystkie wiązania były całkowicie jonowe. Stopnień utlenienia można przypisać atomom w reakcji zgodnie z następującymi wytycznymi.
  1. Atom wolnego pierwiastka ma stopień utlenienia 0. Na przykład, każdy atom C, l w ClX2\ce{Cl2} ma stopień utlenienia 0. Jest to również prawdą dla każdego z atomów H w HX2\ce{H2}, każdego atomu S w SX8\ce{S8} i tak dalej.
  2. Jon jednoatomowy ma stopień utlenienia równy jego ładunkowi. Na przykład, stopień utlenienia CuX2+\ce{Cu^2+} wynosi plus, 2, a stopień utlenienia BrX−\ce{Br-} wynosi minus, 1.
  3. Po połączeniu z innymi pierwiastkami, litowce (grupa 1, start text, A, end text) zawsze mają stopień utlenienia plus, 1, podczas gdy berylowce (grupa 2, start text, A, end text) zawsze mają stopień utlenienia plus, 2.
  4. Fluor ma stopień utlenienia minus, 1 we wszystkich związkach.
  5. Wodór ma stopień utlenienia plus, 1 w większości związków. Najważniejszym wyjątkiem jest połączenie wodoru z metalami, jak w N, a, H lub LiAlHX4\ce{LiAlH4}. W takich przypadkach stopień utlenienia wodoru wynosi minus, 1.
  6. Tlen ma stopień utlenienia minus, 2 w większości związków. Najważniejszy wyjątek dotyczy nadtlenków (związków zawierających OX2X2−\ce{O2^2-}), gdzie tlen ma stopień utlenienia minus, 1. Przykłady popularnych nadtlenków to HX2OX2\ce{H2O2} i NaX2OX2\ce{Na2O2}.
  7. Pozostałe halogeny (C, l, B, r, i I) mają stopień utlenienia minus, 1 w związkach chemicznych, chyba że są one połączone z tlenem lub fluorem. Na przykład stopień utlenienia C, l w jonach ClOX4X−\ce{ClO4-} wynosi plus, 7 (ponieważ O ma stopień utlenienia minus, 2 , a całkowity ładunek jonu wynosi minus, 1).
  8. Suma stopni utlenienia dla wszystkich atomów w obojętnym związku jest równa zeru, podczas gdy suma wszystkich atomów w jonach wieloatomowych jest równa ładunkowi jonu. Rozważmy wieloatomowy jon NOX3X−\ce{NO3-}. Każdy atom O ma stopień utlenienia minus, 2 (łącznie minus, 2, dot, 3, equals, minus, 6). Skoro całkowity ładunek jonu wynosi minus, 1, stopień utlenienia atomu N musi wynosić plus, 5.
Stopnie utlenienia są zapisywane ze znakiem (plus lub minus) przed cyfrą, w przeciwieństwie do zapisu ładunku jonów, gdzie znak jest zapisany po cyfrze. Teraz zobaczmy kilka przykładów przypisywania stopni utlenienia!

Przykład 1: Przypisywanie stopni utlenienia

Ile wynosi stopień utlenienia każdego atomu w (a) SFX6\ce{SF6}, (b) HX3POX4\ce{H3PO4} i (c) IOX3X−\ce{IO3-}?
Aby przypisać stopnie utlenienia atomów w każdym związku, postępujemy zgodnie z wytycznymi przedstawionymi powyżej.
a) Wiemy, że stopień utlenienia F wynosi minus, 1 (wskazówka 4). Ponieważ suma stopni utlenienia sześciu atomów F wynosi minus, 6 , a SFX6\ce{SF6} jest obojętnym związkiem, stopień utlenienia S musi wynosić plus, 6:
SF6+6−1\begin{aligned} &\kern0.75em\blueD{\text{S}}\maroonD{\text{F}}_6 \\ &\footnotesize\blueD{{+6}}\kern0.35em\maroonD{{-1}} \end{aligned}
(b) Stopień utlenienia H wynosi plus, 1 (wskazówka 5), a stopień utlenienia O wynosi minus, 2 (wskazówka 6). Suma tych stopni utlenienia wynosi 3, left parenthesis, plus, 1, right parenthesis, plus, 4, left parenthesis, minus, 2, right parenthesis, equals, minus, 5. Skoro HX3POX4\ce{H3PO4} nie ma ładunku, stopień utlenienia P musi wynosić plus, 5:
H3PO4+1+5−2\begin{aligned} &\kern0.60em\blueD{\text{H}}_3\maroonD{\text{P}}\greenD{\text{O}}_4 \\ &\footnotesize\blueD{{+1}}\kern0.35em\maroonD{{+5}}\kern0.35em\greenD{{-2}} \end{aligned}
c) Stopień utlenienia O wynosi minus, 2 (wskazówka 6), więc suma stopni utlenienia trzech atomów O wynosi minus, 6. Skoro ładunek całkowity IOX3X−\ce{IO3-} wynosi minus, 1, stopień utlenienia I musi wynosić plus, 5:
IO3−+5−2\begin{aligned} &\kern0.75em\blueD{\text{I}}\maroonD{\text{O}}_3^- \\ &\footnotesize\blueD{{+5}}\kern0.35em\maroonD{{-2}} \end{aligned}
Sprawdź się: Jaki jest stopień utlenienia atomu węgla w COX3X2−\ce{CO3^2-}?

Rozpoznawanie reakcji redox

W jaki sposób używamy stopni utlenienia do identyfikacji reakcji redox? Aby się dowiedzieć, ponownie rozważmy reakcję pomiędzy żelazem a tlenem, tym razem przypisując stopnie utleniania do każdego atomu w równaniu:
4 Fe(s)+3 OX2(g)→2 FeX2OX3(s)00+3−2\begin{aligned} &\small{\ce{4Fe}(s) + \ce{3O2}(g) \rightarrow \ce{2Fe2O3}(s)} \\ &\footnotesize\kern0.95em\blueD{{0}}\kern3.50em\blueD{{0}}\kern3.75em\blueD{{+3}}\kern0.50em\blueD{{-2}} \end{aligned}
Zauważ, że dla żelaza (które wiemy już, że ulega utlenieniu w tej reakcji) zmienia się stopień utlenienia z 0 na plus, 3. Podobnie dla tlen (który wiemy, że ulega redukcji), stopień utlenienia zmienia się z 0 na minus, 2. Możemy z tego wywnioskować, że utlenianie wiąże się z zwiększeniem stopnia utlenienia, podczas gdy redukcja oznacza zmniejszenie stopnia utlenienia.
Tak więc możemy zidentyfikować reakcje redox, szukając zmian w stopniach utlenienia w trakcie reakcji. Rozwińmy to zagadnienie w kolejnym przykładzie.

Przykład 2: Wykorzystanie stopni utlenienia do określenia utleniacza i reduktora

Rozważy następującą reakcję:
4 NHX3(g)+5 OX2(g)→4 NO(g)+6 HX2O(g)\small{\ce{4NH3}(g) + \ce{5O2}(g) \rightarrow \ce{4NO}(g) + \ce{6H2O}(g)}
Czy ta reakcja jest reakcją redox? Jeśli tak, to który związek ulega utlenieniu, a który redukcji?
Biorąc pod uwagę, że ten artykuł jest o reakcjach redox, ta reakcja prawdopodobnie jest reakcją redox! Udowodnimy to jednak poprzez przypisanie stopni utlenienia do atomów każdego związku w równaniu:
4 NHX3(g)+5 OX2(g)→4 NO(g)+6 HX2O(g)−3+10+2−2+1−2\begin{aligned} &\small{\ce{4NH3}(g) + \ce{5O2}(g) \rightarrow \ce{4NO}(g) + \ce{6H2O}(g)} \\ &\footnotesize\blueD{{-3}}\kern0.35em\blueD{{+1}}\kern3.25em\blueD{{0}}\kern3.20em\blueD{{+2}}\kern0.35em\blueD{{-2}}\kern2.15em\blueD{{+1}}\kern0.50em\blueD{{-2}} \end{aligned}
Stopnie utlenienia N i O są różne po obu stronach tego równania, więc na pewno jest to reakcja redox! Stopień utlenienia N wzrasta z minus, 3 do plus, 2, Oznacza to, że N traci elektrony i jest utleniany w czasie reakcji. Stopień utlenienia O zmniejsza się z 0 do minus, 2, co oznacza, że O zyskuje elektrony i redukuje się podczas reakcji.

Podsumowanie

Zdjęcie przedstawia cztery probówki do badań, z których każda zawiera roztwór o innym kolorze. Od lewej do prawej obserwujemy roztwór żółty, niebieski, zielony i fioletowy.
Najpopularniejsze stopinie utlenienia wanadu to: plus, 5 (żółty), plus, 4 (niebieski), plus, 3 (zielony), and plus, 2 (fioletowy). Źródło zdjęcia: "Stopnie utlenienia wanadu" autorstwa W. Oelen w Wikimedia Commons, CC BY-SA-3.0.
Reakcje utleniania-redukcji, powszechnie znane jako reakcje redox, to reakcje związane z przenoszeniem elektronów z jednej cząstki chemicznej do drugiej. Cząstki tracące elektrony ulegają utlenianiu, podczas gdy cząstki zwiększające ilość elektronów ulegają redukcji. Reakcje redox można zidentyfikować przy użyciu stopni utlenienia, które są przypisane do atomów w cząsteczkach, zakładając, że wszystkie wiązania atomu są jonowe. Wzrost stopnia utlenienia podczas reakcji odpowiada utlenianiu, podczas gdy spadek odpowiada redukcji.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.