red-oksreaksjon

Red-oksreaksjon er en viktig reaksjonstype i kjemi med en lang forhistorie.

Begrepet reduksjon kom først. Oksidasjon først da grunnstoffet oksygen ble oppdaget på slutten av syttenhundretallet.

I dag definerer vi en red-oksreaksjon ved å se på hva som skjer med elektronene. En red-oksreaksjon innebærer overføring eller forflytning av elektroner mellom utgangsstoffene (reaktantene) slik at produktene blir dannet.

Red-oksreaksjoner hvor oksygen inngår

Et eksempel

Et klassisk eksempel er fremstilling av jern fra jernholdig malm med kull. Jernklumpen man fikk var mye mindre enn mengden malm man startet med. Derfor sa man at malmen var redusert. At malmen var et oksid skjønte man først da grunnstoffet oksygen ble oppdaget på slutten av syttenhundretallet. Da kalte man en reaksjon mellom jern og oksygengass en oksidasjon og innså at reduksjon og oksidasjon var motsatte reaksjoner. I reduksjonsprosessen blir oksygen fjernet og i oksidasjonsprosessen blir oksygen tilført.

I dag skriver vi reaksjonen slik.

2Fe₂O₃(s) + 3C(s) → 4Fe(s) + 3CO₂(g) (1)

Jern(III)oksidet blir redusert fordi oksygen blir fjernet. Da må karbonet samtidig bli oksidert fordi produktet er et oksid. En slik reaksjon kalles derfor en red-oksreaksjon.

En mer generell definisjon

I dag definerer vi en redoksreaksjon mer generelt slik at reaksjonen ikke behøver å inneholde oksygen. Det betyr at mange flere reaksjoner kan klassifiseres som redoksreaksjoner.

Vi kan gi en mer generell definisjon av en redoksreaksjon når vi ser på hva som skjer med elektronene på mikronivå i reaksjonen.

Jern(III)oksid er en ioneforbindelse som består av ionene Fe³⁺ og O^2-. Grunnstoffet jern består av nøytrale jernatomer. Reaksjonen viser at jernatomene må motta 3 elektroner (e^-) slik at Fe³⁺ ionene blir Fe atomer. Det skriver vi:

Fe³⁺ + 3e^- → Fe (2)

Karbondioksid er en molekylforbindelse, men formelt kan vi si at karbondioksid består av ionene C⁴⁺ og O^2-. Grunnstoffet karbon består av nøytrale karbonatomer. Reaksjonen viser at hvert karbonatomene må avgi 4 elektroner (e^-) slik at C-atomene blir C⁴⁺ ioner. Det skriver vi:

C → C⁴⁺ + 4e^-

(Oksygenatomene er uforandret. Det er O^2- -ioner i utgangsstoffet jern(III)oksid og i produktet karbondioksid.)

Multipliserer vi ligning (2) med 4, ligning (3) med 3 og legger dem sammen får vi:

4Fe³⁺ + 3C + 12 e^- → 4Fe + 3C⁴⁺ + 12e^-

Stryker vi elektronene på hver side av pilen får vi:

4Fe³⁺ + 3C → 4Fe + 3C⁴⁺

Legger vi til 6O^2- på hver side av pilen og trekker sammen får vi ligning (1):

2Fe₂O₃(s) + 3C(s) → 4Fe(s) + 3CO₂(g)

I denne reaksjonen har ett av utgangsstoffene, karbon, avgitt elektroner til jernatomene i et annet av utgangsstoffene. Så opptak av elektroner er reduksjon og avgivelse av elektroner er oksidasjon.

Red-oksreaksjoner uten oksygen

Vi kan nå se på en red-oksreaksjon hvor oksygen ikke er med. Settes en sinkstav ned i en løsning som inneholder kobberioner Cu²⁺, f.eks. en løsning av kobbersulfat, CuSO₄, vil sinkatomer løses som sinkioner Zn²⁺og kobberatomer utfelles på sinkstaven:

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2 e⁻ (oksidasjon)

Cu²⁺(aq) + 2 e⁻ → Cu(s) (reduksjon)

Totalreaksjonen er: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq)+ Cu(s)

Viktige definisjoner

Vi definerer:

reduksjon er opptak av elektroner

oksidasjon er avgivelse av elektroner

Det stoffet som avgir elektroner blir oksidert og det stoffet som mottar elektroner blir redusert. Så i det første eksempelet er karbonet oksidert til karbondioksid og jern(III)oksidet redusert til jern.

Skal en forbindelse kunne ta opp elektroner og dermed bli redusert, må det samtidig være til stede en forbindelse som kan avgi elektroner og dermed bli oksidert. De to prosessene må foregå samtidig i en redoksreaksjon.

Et reduksjonsmiddel er et stoff som kan redusere et annet og derved selv bli oksidert. I reaksjon (1) er karbon reduksjonsmiddelet som reduserer jern(III)oksidet til jern. Samtidig blir karbonet selv oksidert til karbondioksidgass.

Tilsvarende er et oksidasjonsmiddel et stoff som kan oksidere et annet og derved selv bli redusert. I den første reaksjonen ovenfor er jern(III)oksidet oksidasjonsmiddelet som oksiderer karbonet til karbondioksid.

Oksidasjonstall

Det er ikke alltid at elektronene overføres fullstendig i reaksjonen, men bare forskyves. Det gjelder karbonatomer i utgangsstoffet karbon i eksempel (1) til produktet karbondioksid. I karbondioksid, O::C::O er bindingene mellom O og C polare, slik at elektronparene er litt forskjøvet mot O, men dette er ikke en ioneforbindelse. Men innfører vi oksidasjonstall blir det lettere å se at reaksjon (1) er en red-oksreaksjon.

Vi kan bruke oksidasjonstall til en ny definisjon av red-oksreaksjoner:

I en red-oksreaksjon endres oksidasjonstallet for noen av atomene i reaksjonen.

Et atom blir redusert dersom oksidasjonstallet blir mindre i reaksjonen.

Et atom blir oksidert dersom oksidasjonstallet øker i reaksjonen.

Er nøytralisering av en syre en red-oksreaksjon? La oss se på reaksjonen:

H₃O⁺(aq) + OH^-(aq) → 2H₂O(l)

H har oksidasjonstall +1 (regel 6) og O har oksidasjonstall -2 (regel 7) i alle tre forbindelsene. Så her skjer det ingen endring i oksidasjonstallene. Dette er følgelig ingen red-oksreaksjon.

Red-oksreaksjoner i organisk kjemi

Redoksreaksjoner foregår ikke bare i uorganisk kjemi, men også i organisk kjemi. Et berømt eksempel er reaksjonen i fotosyntesen:

6CO₂(g) + 6H₂O(aq) → C₆H₁₂O₆(aq) + 6O₂(g)

Dette er en red-oksreaksjon hvor karbondioksid blir redusert og vann blir oksidert til glukose (C₆H₁₂O₆) og oksygengass.