Red-oksreaksjon er en kjemisk reaksjon hvor det foregår både en oksidasjon og en reduksjon.
En red-oksreaksjon innebærer at elektroner overføres eller forflyttes mellom utgangsstoffene (reaktantene). Da blir det dannet nye stoffer, som kalles produktene.
Man kan se om en reaksjon er en red-oksreaksjon ved å beregne oksidasjonstallet for de atomene som inngår i reaksjonsligningen.
Red-oksreaksjoner hvor oksygen inngår
Et klassisk eksempel på en red-oksreaksjon er fremstilling av jern fra jernholdig malm med kull.
Vi kan skrive 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. Det er derfor en slik reaksjon blir kalt en red-oksreaksjon.
Generell definisjon
En red-oksreaksjon defineres nå mer generelt, slik at reaksjonen ikke behøver å inneholde oksygen. Det betyr at mange flere reaksjoner enn tidligere klassifiseres som redoksreaksjoner.
En mer generell definisjon av en red-oksreaksjon tar utgangspunkt i hva som skjer med elektronene på mikronivå i reaksjonen.
Jern(III)oksid er en ioneforbindelse som består av ionene Fe3+ og O2−. Grunnstoffet jern består av nøytrale jernatomer. Reaksjonen viser at jernatomene må motta 3 elektroner (e−), slik at Fe3+-ionene blir Fe-atomer. Det skrives lik:
Fe3+ + 3e− → Fe (2)
Karbondioksid er en molekylforbindelse, men formelt kan vi si at karbondioksid består av ionene C4+ og O2−. Grunnstoffet karbon består av nøytrale karbonatomer. Reaksjonen viser at hvert karbonatom må avgi 4 elektroner (e−), slik at C-atomene blir C4+-ioner. Det skrives:
C → C4+ + 4e−
(Oksygenatomene er uforandret. Det er O2−-ioner i utgangsstoffet jern(III)oksid og i produktet karbondioksid.)
Når ligning (2) multipliseres med 4 og ligning (3) med 3 og de to legges sammen, blir det:
4Fe3+ + 3C + 12 e− → 4Fe + 3C4+ + 12e−
Elektronene på hver side av pilen kan strykes, så det blir:
4Fe3+ + 3C → 4Fe + 3C4+
Ved å legge til 6O2− på hver side av pilen og trekke sammen, blir det 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 i et batteri
Vi kan nå se på en red-oksreaksjon hvor oksygen ikke er med. Settes en sinkstav ned i en løsning som inneholder kobberioner Cu2+, for eksempel 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)
I figuren vises en galvanisk celle hvor en sinkstav står i en løsning av sinkioner og en kobberstav står i en løsning av kobber(II))ioner. De to løsningene er koblet sammen med en porøs keramisk plate som fungerer som en saltbro. Sinkstaven og kobberstaven er koblet sammen med en elektrisk ledning med en amperemeter i. Amperemeteret slår ut og viser at det går en strøm av elektroner fra sinkstaven til kobberstaven. Her brukes altså en redoks-reaksjon til å lage et batteri, og reaksjonen gjør nyttig arbeid.
Viktige definisjoner
- 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 red-oksreaksjon.
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 elektronene overføres fullstendig i reaksjonen. Noen ganger bare forskyves de. Det gjelder karbonatomer i utgangstoffet 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. Ved å innføre oksidasjonstall blir det lettere å se at reaksjon (1) er en red-oksreaksjon.
Oksidasjonstall kan brukes 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? Reaksjonen kan skrives slik:
H3O+(aq) + OH−(aq) → 2H2O(l)
H har oksidasjonstall +1 (regel 6) og O har oksidasjonstall -2 (regel 7) i alle tre forbindelsene. Her skjer det altså 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.
Historie
Red-oksreaksjon er en viktig reaksjonstype i kjemi med en lang forhistorie.
Begrepet reduksjon kom først. I jernalderen ble jernmalm varmet opp med trekull, og en stor klump jernmalm ble omdannet til en mindre klump jern. Jernmalmen ble redusert til jern.
Oksidasjon ble først et begrep etter at grunnstoffet oksygen ble oppdaget i 1770-årene.
Nå defineres en red-oksreaksjon ut fra hva som skjer med elektronene.