Rdza na karoserii, bateria w pilocie, płomień na kuchence i oddychanie — to wszystko jedna i ta sama rodzina reakcji. Nazywa się reakcje utleniania i redukcji, w skrócie redoks. Łączy je jedna rzecz: elektrony przechodzą z jednego atomu na drugi.
Żeby zobaczyć, że elektrony się przesunęły, potrzebne jest narzędzie do liczenia. Tym narzędziem jest stopień utlenienia.
Czym jest stopień utlenienia
Stopień utlenienia to liczba, którą przypisujemy atomowi w związku. Mówi ona, ile elektronów atom oddał (wtedy liczba jest dodatnia) albo przyjął (wtedy ujemna) w porównaniu z atomem wolnym.
To jest w pewnym sensie umowa — rodzaj księgowości. Zakładamy, że wszystkie wiązania są jonowe, i sprawdzamy, kto komu elektrony „zabrał”. Dzięki tej umowie bardzo łatwo poznać, czy w reakcji zaszło przeniesienie elektronów.
Stopnie utlenienia zapisuje się cyfrą rzymską ze znakiem, nad symbolem pierwiastka: ⁰, +I, −II, +VI i tak dalej.
Siedem reguł, które wystarczą
Stopni utlenienia nie trzeba zgadywać. Wystarczy siedem reguł stosowanych po kolei.
| Nr | Reguła | Przykład |
|---|---|---|
| 1 | Pierwiastek wolny (niezwiązany) ma stopień 0 | Fe⁰, O₂⁰, Zn⁰, H₂⁰ |
| 2 | Jon prosty ma stopień równy swojemu ładunkowi | Na⁺ → +I, Cl⁻ → −I, Fe²⁺ → +II |
| 3 | Fluor w związkach ma zawsze −I | HF, CaF₂ |
| 4 | Wodór w związkach ma zwykle +I | H₂O, HCl, H₂SO₄ |
| 5 | Tlen w związkach ma zwykle −II | H₂O, CO₂, Fe₂O₃ |
| 6 | Suma stopni utlenienia w cząsteczce obojętnej = 0 | H₂O: 2·(+I) + (−II) = 0 |
| 7 | Suma stopni utlenienia w jonie złożonym = ładunek jonu | SO₄²⁻: suma = −2 |
Reguł 4 i 5 używa się jako „punktu zaczepienia”: najpierw wstawiamy znane wartości dla wodoru i tlenu, a stopień szukanego pierwiastka wyliczamy z reguły 6 albo 7.
Wyjątki, o których trzeba wiedzieć
Dwa wyjątki pojawiają się na tyle często, że warto je znać od razu:
- Wodór w wodorkach metali ma −I, nie +I. W NaH sód jest metalem i oddaje elektron, więc to wodór go przyjmuje: Na jest +I, wodór −I.
- Tlen w nadtlenkach ma −I, nie −II. W H₂O₂ (woda utleniona) dwa wodory dają razem +2, więc dwa tleny muszą dać −2 — po −I na każdy.
Jak policzyć stopień utlenienia krok po kroku
Przykład 1 — siarka w H₂SO₄
Krok 1. Wpisujemy to, co wiemy: wodór +I, tlen −II.
Krok 2. Oznaczamy szukane: siarka = x.
Krok 3. Suma dla cząsteczki obojętnej = 0:
2 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0
Krok 4. Liczymy:
2 + x − 8 = 0 → x = +6
Siarka w kwasie siarkowym(VI) ma stopień +VI. Zresztą dlatego w nazwie jest ta rzymska szóstka.
Przykład 2 — mangan w KMnO₄
Potas zawsze +I, tlen −II, mangan = x.
(+1) + x + 4 · (−2) = 0 → 1 + x − 8 = 0 → x = +7
Mangan ma tu stopień +VII — to jego maksymalny możliwy stopień, dlatego nadmanganian potasu jest tak silnym utleniaczem.
Przykład 3 — chrom w jonie Cr₂O₇²⁻
Uwaga: to jon, więc suma musi dać −2, a nie 0.
2x + 7 · (−2) = −2 → 2x − 14 = −2 → 2x = 12 → x = +6
Każdy z dwóch atomów chromu ma stopień +VI.
Przykład 4 — azot w HNO₃
(+1) + x + 3 · (−2) = 0 → 1 + x − 6 = 0 → x = +5
Azot ma +V.
Przykład 5 — węgiel w CH₄ i w CO₂
W metanie CH₄ wodór ma +I, więc:
x + 4 · (+1) = 0 → x = −4
W dwutlenku węgla CO₂ tlen ma −II, więc:
x + 2 · (−2) = 0 → x = +4
Ten sam węgiel, dwa skrajnie różne stopnie. Właśnie dlatego spalanie metanu jest tak gwałtowną reakcją — węgiel przechodzi od −IV aż do +IV, oddając po drodze osiem elektronów.
Utlenianie i redukcja — dwie strony tej samej monety
Teraz najważniejsze dwie definicje w całym temacie.
| Proces | Co się dzieje z elektronami | Co się dzieje ze stopniem utlenienia |
|---|---|---|
| Utlenianie | atom oddaje elektrony | stopień utlenienia rośnie |
| Redukcja | atom przyjmuje elektrony | stopień utlenienia maleje |
Elektrony nie giną i nie biorą się znikąd. Jeśli ktoś je oddał, ktoś inny musiał je przyjąć. Dlatego utlenianie i redukcja zawsze zachodzą razem — stąd nazwa redoks.
A kto jest kim
| Nazwa | Co robi | Co się z nim dzieje |
|---|---|---|
| Reduktor | oddaje elektrony drugiemu | sam się utlenia |
| Utleniacz | przyjmuje elektrony od drugiego | sam się redukuje |
To jest miejsce, w którym najczęściej powstaje zamieszanie, bo nazwa mówi o tym, co dana substancja robi drugiemu, a nie o tym, co dzieje się z nią samą. Warto zapamiętać jedno zdanie:
Utleniacz utlenia innych, a sam się redukuje. Reduktor redukuje innych, a sam się utlenia.
Przykład rozebrany na części
Zanurzamy blaszkę cynkową w roztworze siarczanu(VI) miedzi(II). Niebieski roztwór blednie, a na cynku osadza się czerwona warstewka miedzi.
Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu
Krok 1 — stopnie utlenienia po lewej:
Zn wolny → 0. W CuSO₄ miedź to +II (bo reszta SO₄ ma −2).
Krok 2 — stopnie utlenienia po prawej:
W ZnSO₄ cynk ma +II. Cu wolna → 0.
Krok 3 — co się zmieniło:
| Pierwiastek | Przed | Po | Zmiana | Proces |
|---|---|---|---|---|
| Zn | 0 | +II | wzrost o 2 | utlenianie |
| Cu | +II | 0 | spadek o 2 | redukcja |
Krok 4 — role:
Cynk oddał 2 elektrony, więc jest reduktorem. Miedź je przyjęła, więc CuSO₄ jest utleniaczem.
Równania połówkowe pokazują to jeszcze wyraźniej:
Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻ (utlenianie)
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰ (redukcja)
Dwa elektrony oddane, dwa przyjęte — bilans się zgadza.
Jak rozpoznać reakcję redoks na pierwszy rzut oka
Nie każda reakcja jest redoks. Wystarczy sprawdzić jedno: czy jakikolwiek pierwiastek zmienił stopień utlenienia.
| Reakcja | Czy redoks | Dlaczego |
|---|---|---|
| Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ | tak | Zn: 0 → +II, H: +I → 0 |
| 2Mg + O₂ → 2MgO | tak | Mg: 0 → +II, O: 0 → −II |
| HCl + NaOH → NaCl + H₂O | nie | żaden pierwiastek nie zmienia stopnia |
| CaCO₃ → CaO + CO₂ | nie | wapń +II, węgiel +IV, tlen −II — bez zmian |
| 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ | tak | Fe: 0 → +III, O: 0 → −II |
Zwróćcie uwagę: zobojętnianie i rozkład termiczny węglanu nie są reakcjami redoks. Coś się w nich dzieje, ale elektrony nie zmieniają właściciela. Za to wszystkie reakcje metalu z kwasem i wszystkie reakcje spalania są redoks.
Gdzie to spotykamy poza szkołą
- Rdzewienie — żelazo oddaje elektrony tlenowi: Fe od 0 do +III. Reduktorem jest żelazo, utleniaczem tlen.
- Bateria w pilocie — cynk w obudowie oddaje elektrony, a te płyną przez urządzenie. To jest ten sam proces co wyżej, tylko zamknięty w puszce tak, żeby elektrony musiały przejść przez żarówkę albo silniczek.
- Spalanie gazu w kuchence — węgiel w metanie przechodzi od −IV do +IV, tlen od 0 do −II. Energia uwalnia się właśnie przy tym przeskoku elektronów.
- Wybielacz — podchloryn sodu NaClO jest silnym utleniaczem; zabiera elektrony barwnikom plamy i tym samym niszczy ich strukturę.
- Witamina C jako przeciwutleniacz — oddaje elektrony zamiast innych cząsteczek w organizmie, czyli chroni je, sama się utleniając. Przeciwutleniacz to po prostu reduktor.
Najczęstsze błędy
- Mylenie utleniacza z tym, co się utlenia. Utleniacz się redukuje. Zawsze.
- Zapominanie o regule 7. W jonie złożonym suma nie wynosi zero, tylko tyle, ile ładunek jonu.
- Stosowanie −II dla tlenu w nadtlenkach. W H₂O₂ i Na₂O₂ tlen ma −I.
- Mylenie stopnia utlenienia z wartościowością. Wartościowość to liczba wiązań i nie ma znaku; stopień utlenienia zawsze ma znak i może być ujemny.
- Liczenie stopnia utlenienia dla całej grupy zamiast dla jednego atomu. W Cr₂O₇²⁻ każdy chrom ma +VI, a nie +XII.
Do zapamiętania
- Stopień utlenienia to umowna liczba mówiąca, ile elektronów atom oddał (+) albo przyjął (−).
- Punkty zaczepienia: pierwiastek wolny 0, wodór +I, tlen −II, suma w cząsteczce 0, w jonie = ładunek.
- Utlenianie = oddawanie elektronów = wzrost stopnia utlenienia.
- Redukcja = przyjmowanie elektronów = spadek stopnia utlenienia.
- Utleniacz utlenia innych, a sam się redukuje. Reduktor redukuje innych, a sam się utlenia.
- Reakcja jest redoks wtedy i tylko wtedy, gdy jakiś pierwiastek zmienia stopień utlenienia.