4.2 Flokkun efnahvarfa

Fólk á í margvíslegum og flóknum samskiptum sín á milli og við flokkum þessi samskipti eftir algengum hegðunarmynstrum. Þegar tveir einstaklingar skiptast á upplýsingum segjum við að þeir eigi í samskiptum. Þegar þeir skiptast á höggum með hnefum eða fótum segjum við að þeir séu að slást. Þegar vísindamenn standa frammi fyrir fjölbreyttum víxlverkunum milli hreinna efna hefur þeim sömuleiðis þótt hentugt (eða jafnvel nauðsynlegt) að flokka efnavíxlverkanir með því að greina algeng mynstur hvarfgirni. Þessi eining mun veita inngang að þremur af algengustu gerðum efnahvarfa: útfellingu, sýru-basa og oxun-afoxun.

Útfellingarhvörf og leysnireglur

Útfellingarhvarf (e. precipitation reaction) er efnahvarf þar sem uppleyst efni hvarfast og mynda eina (eða fleiri) fastar afurðir. Mörg efnahvörf af þessari gerð fela í sér skipti á jónum milli jónaefna í vatnslausn og eru stundum kölluð tvöföld skipti eða metatesa efnahvörf. Þessi efnahvörf eru algeng í náttúrunni og bera ábyrgð á myndun kóralla í hafi og nýrnasteina í dýrum. Þau eru mikið notuð í iðnaði til framleiðslu á ýmsum hrávörum og sérhæfðum efnum. Útfellingarhvörf gegna einnig lykilhlutverki í mörgum efnafræðilegum greiningaraðferðum, þar á meðal dropaprófum sem notuð eru til að bera kennsl á málmjónir og þyngdarmælingaraðferðum til að ákvarða samsetningu efnis (sjá síðustu einingu þessa kafla).

Að hve miklu leyti efni getur leyst upp í vatni, eða öðrum leysi, er magnbundið gefið upp sem leysni (e. solubility) þess, sem er skilgreint sem hámarksstyrkur efnis sem hægt er að ná við tilteknar aðstæður. Efni með tiltölulega mikinn leysni eru sögð leysanleg (e. soluble). Efni fellur út (e. precipitate) þegar aðstæður í lausninni eru þannig að styrkur þess fer yfir leysni þess. Efni með tiltölulega lítinn leysni eru sögð óleyst (e. insoluble) og þetta eru efnin sem falla auðveldlega út úr lausn. Nánari upplýsingar um þessi mikilvægu hugtök er að finna í síðari kafla um lausnir. Til að spá fyrir um hvaða föstu efni myndast við útfellingarhvörf má einfaldlega vísa til leysnimynstra sem hafa sést fyrir mörg jónaefni (Tafla 4.8).

Tafla 4.8
Leysanleg jónaefni	innihalda þessar jónir	undanþágur
	NH₄⁺ katjónir úr hópi I: Li⁺ Na⁺ K⁺ Rb⁺ Cs⁺	engar
	Cl^- Br^- I^-	efnasambönd með Ag⁺, Hg₂²⁺ og Pb²⁺
	F^-	efnasambönd með katjónum málma úr hópi 2, Pb²⁺ og Fe³⁺
	C₂H₃O₂^- HCO₃^- NO₃^- ClO₃^-	engar
	SO₄^2-	efnasambönd með Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ og Sr²⁺
Óleyst jónaefni	innihalda þessar jónir	undanþágur
	CO₃^2- CrO₄^2- PO₄^3- S^2-	efnasambönd með katjónum úr hópi 1 og NH₄⁺
	OH^-	efnasambönd með katjónum úr hópi 1 og Ba²⁺

Skýrt dæmi um útfellingu sést þegar lausnum af kalíumjoðíði og blýnítrati er blandað saman, sem leiðir til myndunar á föstu blýjoðíði:

2 KI (a q) + Pb {({NO}_{3})}_{2} (a q) ⟶ {PbI}_{2} (s) + 2 {KNO}_{3} (a q)

Þessi athugun er í samræmi við leiðbeiningarnar um leysni: Eina torleysta efnasambandið af öllum þeim sem koma við sögu er blýjoðíð, ein af undantekningunum frá almennum leysni joðíðsalta.

Nettójónajafnan sem táknar þetta efnahvarf er:

{Pb}^{2+} (a q) + 2 I^{−} (a q) ⟶ {PbI}_{2} (s)

Blýjoðíð er skærgult fast efni sem áður var notað sem litarefni fyrir listamenn, þekkt sem joðgult (Mynd 4.4). Eiginleikar hreinna PbI₂ kristalla gera þá gagnlega við framleiðslu á skynjurum fyrir röntgen- og gammageisla.

A photograph is shown of a yellow green opaque substance swirled through a clear, colorless liquid in a test tube. — Mynd 4.4 Botnfall af PbI₂ myndast þegar lausnum sem innihalda Pb²⁺ og I⁻ er blandað saman. (Heimild: Der Kreole/Wikimedia Commons)

Nota má leiðbeiningarnar um leysni í Tafla 4.8 til að spá fyrir um hvort útfellingarefnahvarf muni eiga sér stað þegar lausnum af auðleystum jónaefnum er blandað saman. Það eina sem þarf að gera er að bera kennsl á allar jónir sem eru til staðar í lausninni og íhuga síðan hvort möguleg pörun katjóna/anjóna gæti leitt til torleysts efnasambands. Til dæmis, ef lausnum af silfurnítrati og natríumklóríði er blandað saman, fæst lausn sem inniheldur Ag⁺, ${{{\text{NO}}}_{3}^{-},}$ Na⁺ og Cl⁻ jónir. Fyrir utan þau tvö jónaefni sem upphaflega voru í lausnunum, AgNO₃ og NaCl, má leiða tvö önnur jónaefni af þessu safni jóna: NaNO₃ og AgCl. Leiðbeiningarnar um leysni gefa til kynna að öll nítratsölt séu auðleyst en að AgCl sé torleyst. Því er spáð að útfellingarefnahvarf muni eiga sér stað, eins og lýst er með eftirfarandi jöfnum:

\begin{matrix} NaCl (a q) + {AgNO}_{3} (a q) ⟶ AgCl (s) + NaN O_{3} (a q) (molecular) \\ {Ag}^{+} (a q) + {Cl}^{−} (a q) ⟶ AgCl (s) (net ionic) \end{matrix}

Dæmi 4.3

Að spá fyrir um útfellingarefnahvörf

Spáðu fyrir um niðurstöðuna af því að blanda saman hæfilega þéttum lausnum af eftirfarandi jónaefnum. Ef búist er við útfellingu, skrifaðu þá stillta nettójónajöfnu fyrir efnahvarfið.

(a) kalíumsúlfat og baríumnítrat

(b) litíumklóríð og silfurasetat

Lausn

(a) Tvær mögulegar afurðir fyrir þessa samsetningu eru KNO₃ og BaSO₄. Leiðbeiningarnar um leysni gefa til kynna að BaSO₄ sé torleyst og því er búist við útfellingarefnahvarfi. Nettójónajafnan fyrir þetta efnahvarf, leidd út á þann hátt sem lýst er í fyrri einingu, er

{Ba}^{2+} (a q) + {SO}_{4}^{2−} (a q) ⟶ {BaSO}_{4} (s)

(b) Tvær mögulegar afurðir fyrir þessa samsetningu eru LiC₂H₃O₂ og AgCl. Leiðbeiningarnar um leysni gefa til kynna að AgCl sé torleyst og því er búist við útfellingarefnahvarfi. Nettójónajafnan fyrir þetta efnahvarf, leidd út á þann hátt sem lýst er í fyrri einingu, er

{Ag}^{+} (a q) + {Cl}^{−} (a q) ⟶ AgCl (s)

(c) Tvær mögulegar afurðir fyrir þessa samsetningu eru PbCO₃ og NH₄NO₃. Leiðbeiningarnar um leysni gefa til kynna að PbCO₃ sé torleyst og því er búist við útfellingarefnahvarfi. Nettójónajafnan fyrir þetta efnahvarf, leidd út á þann hátt sem lýst er í fyrri einingu, er

{Pb}^{2+} (a q) + {CO}_{3}^{2−} (a q) ⟶ {PbCO}_{3} (s)

Kannaðu þekkingu þína

Hvaða lausn mætti nota til að fella út baríumjónina, Ba²⁺, í vatnssýni: natríumklóríð, natríumhýdroxíð eða natríumsúlfat? Hver er formúlan fyrir væntanlegu botnfalli?

Sýru-basa efnahvörf

Sýru-basa efnahvarf (e. acid-base reaction) er efnahvarf þar sem vetnisjón, H⁺, flyst frá einni efnategund til annarrar. Slík efnahvörf eru afar mikilvæg í fjölmörgum náttúrulegum og tæknilegum ferlum, allt frá efnabreytingum sem eiga sér stað í frumum, vötnum og höfum, til iðnaðarframleiðslu á áburði, lyfjum og öðrum efnum sem eru nauðsynleg samfélaginu. Efnið sýru-basa efnafræði er því verðugt ítarlegrar umfjöllunar og heill kafli er helgaður þessu efni síðar í textanum.

Í þessum stutta inngangi munum við aðeins fjalla um algengustu gerðir sýru-basa efnahvarfa sem eiga sér stað í vatnslausnum. Í þessu samhengi er sýra (e. acid) efni sem leysist upp í vatni og myndar hýdróníumjónir, H₃O⁺. Sem dæmi má nefna jöfnuna sem sýnd er hér:

HCl (a q) + H_{2} O (l) ⟶ {Cl}^{−} (a q) + H_{3} O^{+} (a q)

Ferlið sem þessi jafna táknar staðfestir að vetnisklóríð er sýra. Þegar það er leyst upp í vatni myndast H₃O⁺ jónir með efnahvarfi þar sem H⁺ jónir flytjast frá HCl-sameindum yfir á H₂O-sameindir (Mynd 4.5).

Mynd 4.5 Þegar vetnisklóríðgas leysist upp í vatni, (a) hvarfast það sem sýra og flytur róteindir yfir á vatnssameindir til að mynda (b) hýdróníumjónir (og vatnsleystar klóríðjónir).

Eðli HCl er þannig að efnahvarf þess við vatn, eins og lýst var, er í raun 100% skilvirkt: Nánast hver einasta HCl-sameind sem leysist upp í vatni gengst undir þetta efnahvarf. Sýrur sem hvarfast að fullu á þennan hátt eru kallaðar sterkar sýrur (e. strong acids) og HCl er eitt af fáum algengum sýrusamböndum sem eru flokkuð sem sterk (Tafla 4.9). Mun fleiri efnasambönd hegða sér sem veikar sýrur (e. weak acids) og hvarfast aðeins að hluta til við vatn, þannig að stór meirihluti uppleystra sameinda helst í upprunalegu formi og myndar tiltölulega lítið magn hýdróníumjóna. Veikar sýrur eru algengar í náttúrunni og eru þau efni sem bera að hluta til ábyrgð á súra bragðinu af sítrusávöxtum, sviðatilfinningunni frá skordýrabitum og óþægilegri lykt sem fylgir líkamslykt. Þekkt dæmi um veika sýru er ediksýra, aðalefnið í matarediki:

{CH}_{3} {CO}_{2} H (a q) + H_{2} O (l) ⇌ {CH}_{3} {CO}_{2}^{−} (a q) + H_{3} O^{+} (a q)

Þegar ediksýra er leyst upp í vatni við venjulegar aðstæður eru aðeins um 1% af ediksýrusameindunum á jónuðu formi, ${{{\text{CH}}}_{3}{{\text{CO}}}_{2}^{-}}$ (Mynd 4.6). (Notkun tvöfaldrar örvar í jöfnunni hér að ofan táknar að efnahvarfið er aðeins að hluta, hugtak sem fjallað er ítarlega um í köflunum um efnajafnvægi.)

This figure contains two images, each with an associated structural formula provided in the lower left corner of the image. The first image is a photograph of a variety of thinly sliced, circular cross sections of citrus fruits ranging in color for green to yellow, to orange and reddish-orange. The slices are closely packed on a white background. The structural formula with this picture shows a central chain of five C atoms. The leftmost C atom has an O atom double bonded above and to the left and a singly bonded O atom below and to the left. This single bonded O atom has an H atom indicated in red on its left side which is highlighted in pink. The second C atom moving to the right has H atoms bonded above and below. The third C atom has a single bonded O atom above which has an H atom on its right. This third C atom has a C atom bonded below it which has an O atom double bonded below and to the left and a singly bonded O atom below and to the right. An H atom appears in red and is highlighted in pink to the right of the singly bonded O atom. The fourth C atom has H atoms bonded above and below. The fifth C atom is at the right end of the structure. It has an O atom double bonded above and to the right and a singly bonded O atom below and to the right. This single bonded O atom has a red H atom on its right side which is highlighted in pink. The second image is a photograph of bottles of vinegar. The bottles are labeled, “Balsamic Vinegar,” and appear to be clear and colorless. The liquid in this bottle appears to be brown. The structural formula that appears with this image shows a chain of two C atoms. The leftmost C atom has H atoms bonded above, below, and to the left. The C atom on the right has a doubly bonded O atom above and to the right and a singly bonded O atom below and to the right. This O atom has an H atom bonded to its right which is highlighted in pink. — Mynd 4.6 (a) Ávextir eins og appelsínur, sítrónur og greipaldin innihalda veiku sýruna sítrónusýru. (b) Edik inniheldur veiku sýruna ediksýru. (Mynd a: breyting á verki eftir Scott Bauer; mynd b: breyting á verki eftir Brücke-Osteuropa/Wikimedia Commons)

Tafla 4.9
Algengar sterkar sýrur
Formúla efnasambands	Nafn í vatnslausn
HBr	vetnisbrómíðsýra
HCl	vetnisklóríðsýra
HI	vetnisjoðíðsýra
HNO₃	salpéturssýra
HClO₄	perklórsýra
H₂SO₄	brennisteinssýra

Basi (e. base) er efni sem leysist upp í vatni og gefur frá sér hýdroxíðjónir, OH⁻. Algengustu basarnir eru jónaefni sem samanstanda af alkalí- eða jarðalkalímálmkatjónum (flokkar 1 og 2) ásamt hýdroxíðjóninni – til dæmis NaOH og Ca(OH)₂. Ólíkt sýrusamböndunum sem rædd voru áður hvarfast þessi efnasambönd ekki efnafræðilega við vatn; þess í stað leysast þau upp og klofna og losa hýdroxíðjónir beint út í lausnina. Til dæmis leysast KOH og Ba(OH)₂ upp í vatni og klofna að fullu til að mynda katjónir (K⁺ og Ba²⁺, í sömu röð) og hýdroxíðjónir, OH⁻. Þessir basar, ásamt öðrum hýdroxíðum sem klofna að fullu í vatni, eru taldir sterkir basar (e. strong bases).

Lítum á upplausn vítissteins (natríumhýdroxíðs) í vatni sem dæmi:

NaOH (s) ⟶ {Na}^{+} (a q) + {OH}^{−} (a q)

Þessi jafna staðfestir að natríumhýdroxíð er basi. Þegar NaOH er leyst upp í vatni klofnar það og gefur frá sér Na⁺ og OH⁻ jónir. Þetta á einnig við um öll önnur jónaefni sem innihalda hýdroxíðjónir. Þar sem klofnunarferlið er nánast fullkomið þegar jónaefni leysast upp í vatni við venjulegar aðstæður eru NaOH og önnur jónísk hýdroxíð öll flokkuð sem sterkir basar.

Ólíkt jónískum hýdroxíðum mynda sum efnasambönd hýdroxíðjónir þegar þau eru leyst upp með því að hvarfast efnafræðilega við vatnssameindir. Í öllum tilvikum hvarfast þessi efnasambönd aðeins að hluta og eru því flokkuð sem veikir basar (e. weak bases). Þessar tegundir efnasambanda eru einnig algengar í náttúrunni og mikilvægar söluvörur í ýmsum tæknigreinum. Til dæmis er heimsframleiðsla á veika basanum ammóníaki yfirleitt vel yfir 100 milljónir tonna á ári og er hann mikið notaður sem landbúnaðaráburður, hráefni fyrir efnasmíði annarra efnasambanda og virkt efni í heimilishreinsiefnum (Mynd 4.7). Þegar ammóníak er leyst upp í vatni hvarfast það að hluta til og gefur frá sér hýdroxíðjónir, eins og sýnt er hér:

{NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ {NH}_{4}^{+} (a q) + {OH}^{−} (a q)

Þetta er, samkvæmt skilgreiningu, sýru-basa efnahvarf, í þessu tilviki felur það í sér flutning H⁺ jóna frá vatnssameindum yfir á ammóníaksameindir. Við venjulegar aðstæður er aðeins um 1% af uppleystu ammóníaki til staðar sem ${{{\text{NH}}}_{4}^{+}}$ jónir.

This photograph shows a large agricultural tractor in a field pulling a field sprayer and a large, white cylindrical tank which is labeled “Caution Ammonia.” — Mynd 4.7 Ammóníak er veikur basi sem notaður er í margvíslegum tilgangi. (a) Hreint ammóníak er almennt notað sem landbúnaðaráburður. (b) Þynntar lausnir af ammóníaki eru áhrifarík heimilishreinsiefni. (Mynd a: breyting á verki eftir National Resources Conservation Service; mynd b: breyting á verki eftir pat00139)

Hlutleysingarefnahvarf (e. neutralization reaction) er sérstök tegund sýru-basa efnahvarfs þar sem hvarfefnin eru sýra og basi (en ekki vatn) og myndefnin eru oft salt og vatn.

sýra + basi ⟶ salt + vatn

Til að lýsa hlutleysingarefnahvarfi skulum við skoða hvað gerist þegar dæmigert sýrubindandi lyf eins og magnesíummjólk (vatnskennd grugga af föstu Mg(OH)₂) er tekið inn til að lina einkenni sem tengjast umframmagni magasýru (HCl):

Mg {(OH)}_{2} (s) + 2 HCl (a q) ⟶ {MgCl}_{2} (a q) + 2 H_{2} O (l).

Takið eftir að auk vatns myndar þetta efnahvarf salt, magnesíumklóríð.

Dæmi 4.4

Að skrifa jöfnur fyrir sýru-basa efnahvörf

Skrifið stilltar efnajöfnur fyrir sýru-basa efnahvörfin sem lýst er hér:

(a) veika sýran vetnishýpóklórít hvarfast við vatn

(b) lausn af baríumhýdroxíði er hlutleyst með lausn af saltpéturssýru

Lausn

(a) Hvarfefnin tvö eru gefin, HOCl og H₂O. Þar sem efnið er sagt vera sýra, mun efnahvarf þess við vatn fela í sér flutning á H⁺ frá HOCl yfir á H₂O til að mynda hýdróníumjónir, H₃O⁺ og hýpóklórítjónir, OCl⁻.

HOCl (a q) + H_{2} O (l) ⇌ {OCl}^{−} (a q) + H_{3} O^{+} (a q)

Tvíodda ör er viðeigandi í þessari jöfnu því hún gefur til kynna að HOCl sé veik sýra sem hefur ekki hvarfast að fullu.

(b) Hvarfefnin tvö eru gefin, Ba(OH)₂ og HNO₃. Þar sem þetta er hlutleysingarefnahvarf verða myndefnin tvö vatn og salt sem samanstendur af katjón jónahýdroxíðsins (Ba²⁺) og anjóninni sem myndast þegar sýran flytur vetnisjón sína ${({{\text{NO}}}_{3}^{\text{−}}).}$

Ba {(OH)}_{2} (a q) + 2 {HNO}_{3} (a q) ⟶ Ba ({NO}_{3})_{2} (a q) + 2 H_{2} O (l)

Kannaðu þekkingu þína

Skrifaðu nettójónajöfnuna sem táknar hlutleysingu á hvaða sterkri sýru sem er með jónahýdroxíði. (Vísbending: Íhugaðu jónirnar sem myndast þegar sterk sýra er leyst upp í vatni.)

Efnafræði í daglegu lífi

Sýrubindandi lyf fyrir maga

Maginn okkar inniheldur lausn af um það bil 0,03 M HCl, sem hjálpar okkur að melta matinn sem við borðum. Brennandi tilfinningin sem fylgir brjóstsviða stafar af því að magasýra lekur í gegnum vöðvaloku efst í maganum og niður í neðri hluta vélindans. Slímhúð vélindans er ekki varin fyrir ætandi áhrifum magasýru eins og slímhúð magans er og afleiðingarnar geta verið mjög sársaukafullar. Þegar við fáum brjóstsviða líður okkur betur ef við minnkum umframmagn sýru í vélindanu með því að taka sýrubindandi lyf. Eins og þú gætir hafa giskað á eru sýrubindandi lyf basar. Eitt algengasta sýrubindandi lyfið er kalsíumkarbónat, CaCO₃. Efnahvarfið,

{CaCO}_{3} (s) + 2 HCl (a q) ⇌ {CaCl}_{2} (a q) + H_{2} O (l) + {CO}_{2} (g)

hlutleysir ekki aðeins magasýru, heldur framleiðir það einnig CO₂(g), sem getur leitt til ánægjulegs ropa.

Magnesíummjólk er grugga af hinum torleysta basa magnesíumhýdroxíði, Mg(OH)₂. Það virkar samkvæmt efnahvarfinu:

Mg {(OH)}_{2} (s) ⇌ {Mg}^{2+} (a q) + 2 {OH}^{−} (a q)

Hýdroxíðjónirnar sem myndast í þessu jafnvægi hvarfast síðan við hýdróníumjónirnar úr magasýrunni, þannig að:

H_{3} O^{+} + {OH}^{−} ⇌ 2 H_{2} O (l)

Þetta efnahvarf framleiðir ekki koldíoxíð, en sýrubindandi lyf sem innihalda magnesíum geta haft hægðalosandi áhrif. Nokkur sýrubindandi lyf hafa álhýdroxíð, Al(OH)₃, sem virkt efni. Álhýdroxíð hefur tilhneigingu til að valda hægðatregðu og sum sýrubindandi lyf nota álhýdroxíð ásamt magnesíumhýdroxíði til að vega upp á móti aukaverkunum efnanna tveggja.

Efnafræði í daglegu lífi

Matreiðsluþættir efnafræðinnar

Dæmi um sýru-basa efnafræði eru fjölmörg í heimi matargerðar. Eitt dæmi er notkun matarsóda, eða natríumbíkarbónats, við bakstur. NaHCO₃ er basi. Þegar það hvarfast við sýru eins og sítrónusafa, súrmjólk eða sýrðan rjóma í deigi, myndast loftbólur af koldíoxíðgasi við niðurbrot kolsýrunnar sem myndast og deigið „lyftir sér“. Lyftiduft er blanda af natríumbíkarbónati og einu eða fleiri sýrusöltum sem hvarfast þegar efnin tvö komast í snertingu við vatn í deiginu.

Mörgum finnst gott að setja sítrónusafa eða edik, sem hvort tveggja eru sýrur, á eldaðan fisk (Mynd 4.8). Það kemur í ljós að fiskar hafa rokgjörn amín (basa) í kerfum sínum, sem eru hlutleyst af sýrunum og mynda órokgjörn ammóníumsölt. Þetta dregur úr lyktinni af fiskinum og bætir einnig við „súru“ bragði sem okkur virðist líka vel.

Mynd 4.8 Hlutleysingarefnahvarf á sér stað milli sítrónusýru í sítrónum eða ediksýru í ediki og basanna í holdi fisksins.

Súrsun er aðferð sem notuð er til að varðveita grænmeti með því að nota náttúrulega framleitt súrt umhverfi. Grænmetið, eins og gúrka, er sett í lokaða krukku á kafi í saltpækli. Pækillinn ýtir undir vöxt gagnlegra gerla og bælir vöxt skaðlegra gerla. Gagnlegu gerlarnir nærast á sterkju í gúrkunni og framleiða mjólkursýru sem úrgangsefni í ferli sem kallast gerjun. Mjólkursýran eykur að lokum sýrustig pækilsins að því marki að allir skaðlegir gerlar, sem þurfa basískt umhverfi, drepast. Án þess að skaðlegu gerlarnir éti gúrkurnar geta þær enst mun lengur en ef þær væru óvarðar. Aukaafurð súrsunarferlisins breytir bragði grænmetisins þar sem sýran gerir það súrt á bragðið.

Oxunar-afoxunarefnahvörf

Að stilla oxunar-afoxunarjöfnur með hálfhvarfsaðferðinni

Oxunar-afoxunarefnahvörf sem eiga sér stað í vatnslausnum fela oft í sér vatn, hýdróníumjónir og hýdroxíðjónir sem hvarfefni eða myndefni. Þrátt fyrir að þessar efnaeindir oxist ekki eða afoxist, taka þær þátt í efnabreytingum á annan hátt (t.d. með því að útvega frumefnin sem þarf til að mynda oxýanjónir). Stundum er mjög erfitt að stilla jöfnur sem tákna þessi efnahvörf með yfirsýn, þannig að kerfisbundnar aðferðir hafa verið þróaðar til að aðstoða við ferlið. Ein mjög gagnleg aðferð er að nota hálfhvarfsaðferðina, sem felur í sér eftirfarandi skref:

1. Skrifið hálfhvörfin tvö sem tákna oxunar-afoxunarhvarfið.

2. Stillið af öll frumefni nema súrefni og vetni.

3. Stillið af súrefnisfrumeindir með því að bæta við H₂O-sameindum.

4. Stillið af vetnisfrumeindir með því að bæta við H⁺-jónum.

5. Stillið af hleðslu með því að bæta við rafeindum.

6. Ef nauðsyn krefur, margfaldið stuðla hvers hálfhvarfs með lægstu mögulegu heiltölum til að fá jafnan fjölda rafeinda í hvoru hvarfi.

7. Leggið saman stilltu hálfhvörfin og einfaldið með því að fjarlægja efni sem koma fyrir báðum megin við jöfnuna.

8. Fyrir efnahvörf sem eiga sér stað í basískum lausnum (umframmagn hýdroxíðjóna), framkvæmið þessi viðbótarskref:

Bætið OH⁻-jónum við báðar hliðar jöfnunnar í sama fjölda og H⁺-jónirnar eru.
Á þeirri hlið jöfnunnar sem inniheldur bæði H⁺- og OH⁻-jónir, sameinið þessar jónir til að mynda vatnssameindir.
Einfaldið jöfnuna með því að fjarlægja allar óþarfa vatnssameindir.

9. Að lokum skal athuga hvort bæði fjöldi frumeinda og heildarhleðslur¹ séu stilltar.

Dæmi 4.5

Að stilla oxunar-afoxunarhvarf í súrri lausn

Skrifaðu stillta jöfnu fyrir efnahvarf díkrómatjónar og járns(II) sem gefur af sér járn(III) og króm(III) í súrri lausn.

{Cr}_{2} O_{7}^{2−} + {Fe}^{2+} ⟶ {Cr}^{3+} + {Fe}^{3+}

Lausn

Skrifaðu hálfhvörfin tvö.

Write the two half-reactions.
Hvert hálfhvarf mun innihalda eitt hvarfefni og eitt myndefni með eitt sameiginlegt frumefni. ${{{\text{Fe}}}^{{\text{2+}}}\, \longrightarrow \, {{\text{Fe}}}^{{\text{3+}}}}$ ${{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}\, \longrightarrow \, {{\text{Cr}}}^{{\text{3+}}}}$
Stilla öll frumefni nema súrefni og vetni. Járnhálfhvarfið er þegar stillt, en krómhálfhvarfið sýnir tvær Cr-frumeindir vinstra megin og eina Cr-frumeind hægra megin. Með því að breyta stuðlinum hægra megin í jöfnunni í 2 næst jafnvægi með tilliti til Cr-frumeinda. ${{{\text{Fe}}}^{{\text{2+}}}\, \longrightarrow \, {{\text{Fe}}}^{{\text{3+}}}}$ ${{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}\, \longrightarrow \, 2{{\text{Cr}}}^{{\text{3+}}}}$
Stilla súrefnisfrumeindir með því að bæta við H₂O-sameindum. Járnhálfhvarfið inniheldur ekki O-frumeindir. Krómhálfhvarfið sýnir sjö O-frumeindir vinstra megin og engar hægra megin, þannig að sjö vatnssameindum er bætt við hægra megin. $\begin{aligned} {\text{Fe}}^{{\text{2+}}}\, \longrightarrow \, {\text{Fe}}^{{\text{3+}}} \\ {\text{Cr}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}\, \longrightarrow \, 2{\text{Cr}}^{{\text{3+}}}+7{\text{H}}_{2}\text{O} \end{aligned}$
Stilla vetnisfrumeindir með því að bæta við H⁺-jónum. Járnhálfhvarfið inniheldur ekki H-frumeindir. Krómhálfhvarfið sýnir 14 H-frumeindir hægra megin og engar vinstra megin, þannig að 14 vetnisjónum er bætt við vinstra megin. ${{{\text{Fe}}}^{{\text{2+}}}\, \longrightarrow \, {{\text{Fe}}}^{{\text{3+}}}}$ ${{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}+14{\text{H}}^{+}\, \longrightarrow \, 2{{\text{Cr}}}^{{\text{3+}}}+7{\text{H}}_{2}\text{O}}$
Stilla hleðslu með því að bæta við rafeindum. Járnhálfhvarfið sýnir heildarhleðslu 2+ vinstra megin (1 Fe²⁺-jón) og 3+ hægra megin (1 Fe³⁺-jón). Með því að bæta einni rafeind við hægri hliðina verður heildarhleðsla þeirrar hliðar (3+) + (1−) = 2+ og hleðslujafnvægi er náð.
Krómhálfhvarfið sýnir heildarhleðslu (1 ${\times}$ 2−) + (14 ${\times}$ 1+) = 12+ vinstra megin ( ${{{(\text{1 Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}}$ -jón og 14 H⁺-jónir). Heildarhleðslan hægra megin er (2 ${\times}$ 3+) = 6+ (2 Cr³⁺-jónir). Með því að bæta sex rafeindum við vinstri hliðina verður heildarhleðsla þeirrar hliðar (12+ + 6−) = 6+ og hleðslujafnvægi er náð. ${{{\text{Fe}}}^{{\text{2+}}}\, \longrightarrow \, {{\text{Fe}}}^{{\text{3+}}}+{\text{e}}^{-}}$ ${{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}+14{\text{H}}^{+}+6{\text{e}}^{-}\, \longrightarrow \, 2{{\text{Cr}}}^{{\text{3+}}}+7{\text{H}}_{2}\text{O}}$
Margfaldaðu hálfhvörfin tvö þannig að fjöldi rafeinda í öðru hvarfinu sé jafn fjölda rafeinda í hinu hvarfinu. Til að samræmast varðveislu massa og þeirri hugmynd að oxunar-afoxunarhvörf feli í sér flutning (ekki myndun eða eyðingu) rafeinda, verður að margfalda stuðul járnhálfhvarfsins með 6. ${{{\text{6Fe}}}^{{\text{2+}}}\, \longrightarrow \, 6{{\text{Fe}}}^{{\text{3+}}}+6{\text{e}}^{-}}$ ${{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}+6{\text{e}}^{-}+14{\text{H}}^{+}\, \longrightarrow \, 2{{\text{Cr}}}^{{\text{3+}}}+7{\text{H}}_{2}\text{O}}$
Leggðu saman stilltu hálfhvörfin og styttu út agnir sem koma fyrir báðum megin við jöfnuna. ${6{{\text{Fe}}}^{{\text{2+}}}+{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}+6{\text{e}}^{-}+14{\text{H}}^{+}\, \longrightarrow \, 6{{\text{Fe}}}^{{\text{3+}}}+6{\text{e}}^{-}+2{{\text{Cr}}}^{{\text{3+}}}+7{\text{H}}_{2}\text{O}}$
Aðeins sex rafeindirnar eru óþarfar agnir. Með því að fjarlægja þær úr hvorri hlið jöfnunnar fæst einfölduð, stillt jafna hér: ${6{{\text{Fe}}}^{{\text{2+}}}+{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}+14{\text{H}}^{+}\, \longrightarrow \, 6{{\text{Fe}}}^{{\text{3+}}}+2{{\text{Cr}}}^{{\text{3+}}}+7{\text{H}}_{2}\text{O}}$

Lokaathugun á frumeinda- og hleðslujafnvægi staðfestir að jafnan er stillt.

Skoðaðu þekkingu þína

Í basískri lausn hvarfast klórsameindir, Cl₂, við hýdroxíðjónir, OH⁻, og mynda klóríðjónir, Cl⁻, og klóratjónir, ClO₃⁻. VÍSBENDING: Þetta er misvægishvarf þar sem frumefnið klór bæði oxast og afoxast. Skrifaðu stillta jöfnu fyrir þetta efnahvarf.

Tafla 4.10
Hvarfefni	Myndefni	Products
Fe	6	6
Cr	2	2
O	7	7
H	14	14
hleðsla	24+	24+

Lofthjúpur jarðar inniheldur um 20% af súrefni í sameindaformi, O₂, sem er efnafræðilega hvarfgjarnt gas sem gegnir mikilvægu hlutverki í efnaskiptum loftháðra lífvera og í mörgum umhverfisferlum sem móta heiminn. Hugtakið oxun (e. oxidation) var upphaflega notað til að lýsa efnahvörfum sem innihéldu O₂, en merking þess hefur þróast til að vísa til víðtæks og mikilvægs efnahvarfaflokks sem kallast oxunar-afoxunarhvörf. Nokkur dæmi um slík efnahvörf verða notuð til að þróa skýra mynd af þessari flokkun.

Sum oxunar-afoxunarhvörf fela í sér flutning rafeinda milli hvarfefnaeinda til að mynda jónísk myndefni, svo sem efnahvarfið milli natríums og klórs til að mynda natríumklóríð:

2Na (s) + {Cl}_{2} (g) ⟶ 2 NaCl (s)

Það er gagnlegt að skoða ferlið með tilliti til hvers einstaks hvarfefnis, það er að segja, að tákna afdrif hvers hvarfefnis í formi jöfnu sem kallast hálfhvarf (e. half-reaction):

\begin{array}{l} 2 Na (s) ⟶ 2 {Na}^{+} (s) + 2 e^{-} \\ {Cl}_{2} (g) + 2 e^{-} ⟶ 2 {Cl}^{−} (s) \end{array}

Þessar jöfnur sýna að Na-frumeindir tapa rafeindum á meðan Cl-frumeindir (í Cl₂-sameindinni) fá rafeindir, og „s“ neðanskriftirnar fyrir jónirnar sem myndast tákna að þær eru til staðar í formi fasts jónaefnis. Fyrir oxunar-afoxunarhvörf af þessu tagi skilgreinir tap og ávinningur rafeinda þau viðbótarferli sem eiga sér stað:

\begin{array}{l} oxidation & = & tap rafeinda \\ reduction & = & upptaka rafeinda \end{array}

Í þessu efnahvarfi er natríum því oxað og klór verður fyrir afoxun (e. reduction). Séð frá virkara sjónarhorni virkar natríum sem afoxari (e. reducing agent (reductant)), þar sem það gefur klór rafeindir (eða afoxar það). Sömuleiðis virkar klór sem oxari (e. oxidizing agent (oxidant)), þar sem það fjarlægir í raun rafeindir frá natríum (oxar það).

\begin{array}{l} reducing agent & = & efnategund sem oxast \\ oxidizing agent & = & efnategund sem afoxast \end{array}

Sum oxunar-afoxunarferli fela þó ekki í sér flutning rafeinda. Íhugaðu til dæmis efnahvarf sem svipar til þess sem myndar NaCl:

H_{2} (g) + {Cl}_{2} (g) ⟶ 2 HCl (g)

Myndefni þessa efnahvarfs er samgilt efnasamband, þannig að flutningur rafeinda í bókstaflegri merkingu á sér ekki stað. Til að skýra líkindi þessa efnahvarfs við það fyrra og leyfa ótvíræða skilgreiningu á oxunar-afoxunarhvörfum hefur eiginleiki sem kallast oxunartala verið skilgreindur. Oxunartala (e. oxidation number) (eða oxunarástand (e. oxidation state)) frumefnis í efnasambandi er hleðslan sem frumeindir þess myndu bera ef efnasambandið væri jónískt. Eftirfarandi leiðbeiningar eru notaðar til að úthluta oxunartölum til hvers frumefnis í sameind eða jón.

Oxunartala frumeindar í frumefni er núll.
Oxunartala einfrumeindar jónar er jöfn hleðslu jónarinnar.
Oxunartölum fyrir algenga málmleysingja er venjulega úthlutað sem hér segir:
- Vetni: +1 þegar það er í sambandi við málmleysingja, −1 þegar það er í sambandi við málma
- Súrefni: −2 í flestum efnasamböndum, stundum −1 (svokölluð peroxíð, ${{\text{O}}_{2}^{{\text{2−}}}),}$ mjög sjaldan ${-\, \frac{1}{2}}$ (svokölluð súperoxíð, ${{\text{O}}_{2}^{\text{−}}),}$ jákvæð gildi þegar það er í sambandi við F (gildi eru breytileg)
- Halógenar: −1 fyrir F alltaf, −1 fyrir aðra halógena nema þegar þeir eru í efnasambandi með súrefni eða öðrum halógenum (jákvæðar oxunartölur í þessum tilfellum, mismunandi gildi)
Summa oxunartalna allra atóma í sameind eða fjölfrumeinda jón er jöfn hleðslu sameindarinnar eða jónarinnar.

Athugið: Rétt venja til að skrá hleðslu er að skrifa töluna fyrst og síðan formerkið (t.d. 2+), en oxunartala er skrifuð í öfugri röð, formerkið fyrst og síðan talan (t.d. +2). Þessi venja miðar að því að leggja áherslu á muninn á þessum tveimur skyldu eiginleikum.

Dæmi 4.6

Úthlutun oxunartalna

Fylgdu leiðbeiningunum í þessum kafla textans til að úthluta oxunartölum til allra frumefna í eftirfarandi efnum:

(a) H₂S

(b) ${{{\text{SO}}}_{3}^{{\text{2−}}}}$

Lausn

(a) Samkvæmt leiðbeiningu 3 er oxunartala H +1.

Með því að nota þessa oxunartölu og formúlu efnasambandsins má síðan nota leiðbeiningu 4 til að reikna út oxunartölu brennisteins:

\begin{matrix} hleðsla á H_{2} S = 0 = (2 \times +1) + (1 \times x) \\ x = 0 - (2 \times +1) = −2 \end{matrix}

(b) Leiðbeining 3 gefur til kynna að oxunartala súrefnis sé −2.

Með því að nota þessa oxunartölu og formúlu jónarinnar má síðan nota leiðbeiningu 4 til að reikna út oxunartölu brennisteins:

\begin{matrix} hleðsla á {SO}_{3}^{2−} = −2 = (3 \times −2) + (1 \times x) \\ x = −2 - (3 \times −2) = +4 \end{matrix}

Samkvæmt leiðbeiningu 2 er oxunartala natríums +1.

Ef gert er ráð fyrir venjulegri oxunartölu fyrir súrefni (−2 samkvæmt leiðbeiningu 3) er oxunartala brennisteins reiknuð út eins og leiðbeining 4 segir til um:

\begin{matrix} hleðsla á {SO}_{4}^{2−} = −2 = (4 \times −2) + (1 \times x) \\ x = −2 - (4 \times −2) = +6 \end{matrix}

Skoðaðu þekkingu þína

Úthlutaðu oxunartölum til frumefnanna sem eru undirstrikuð í hverju eftirfarandi efnasambandi eða jón:

(a) KNO₃

(b) AlH₃

(d) ${{\text{H}}_{2}\text{P}_{\text{O}}_{4}^{-}}$

Með því að nota hugtakið oxunartala hefur verið sett fram altæk skilgreining á oxunar-afoxunarhvarfi. Oxunar-afoxunarhvarf (redox) (e. oxidation-reduction (redox) reactions) eru þau efnahvörf þar sem eitt eða fleiri frumefni sem taka þátt verða fyrir breytingu á oxunartölu. (Þótt langflest oxunar-afoxunarhvörf feli í sér breytingar á oxunartölu fyrir tvö eða fleiri frumefni, eru nokkrar áhugaverðar undantekningar frá þessari reglu Dæmi 4.7.) Skilgreiningar á viðbótarferlum þessa efnahvarfaflokks eru endurskoðaðar á sama hátt eins og sýnt er hér:

\begin{array}{l} oxidation & = & hækkun á oxunartölu \\ reduction & = & lækkun á oxunartölu \end{array}

Ef við snúum aftur að efnahvörfunum sem notuð voru til að kynna þetta efni, má nú skilgreina þau bæði sem oxunar-afoxunarferli. Í efnahvarfi milli natríums og klórs til að mynda natríumklóríð oxast natríum (oxunartala þess hækkar úr 0 í Na í +1 í NaCl) og klór afoxast (oxunartala þess lækkar úr 0 í Cl₂ í −1 í NaCl). Í efnahvarfi milli vetnissameindar og klórs oxast vetni (oxunartala þess hækkar úr 0 í H₂ í +1 í HCl) og klór afoxast (oxunartala þess lækkar úr 0 í Cl₂ í −1 í HCl).

Nokkrir undirflokkar oxunar-afoxunarhvarfa eru þekktir, þar á meðal brunahvörf (e. combustion reactions) þar sem afoxarinn (einnig kallaður eldsneyti) og oxarinn (oft, en ekki endilega, súrefnissameind) hvarfast kröftuglega og framleiða umtalsvert magn af hita, og oft ljós, í formi loga. Efnahvörf í föstu eldflaugaeldsneyti eins og það sem sýnt er í Mynd 4.1 eru brunaferli. Dæmigert drifefnahvarf þar sem fast ál er oxað af ammóníumperklórati er táknað með þessari jöfnu:

10 Al (s) + 6 {NH}_{4} {ClO}_{4} (s) ⟶ 4 {Al}_{2} O_{3} (s) + 2 {AlCl}_{3} (s) + 12 H_{2} O (g) + 3 N_{2} (g)

Einföld útskiptahvörf (e. single-displacement (replacement) reactions) eru oxunar-afoxunarhvörf þar sem jón í lausn er skipt út (eða henni er skipt út) með oxun málmfrumefnis. Eitt algengt dæmi um þessa tegund efnahvarfs er sýruoxun ákveðinna málma:

Zn (s) + 2 HCl (a q) ⟶ {ZnCl}_{2} (a q) + H_{2} (g)

Málmfrumefni geta einnig verið oxuð af lausnum annarra málmsalta; til dæmis:

Cu (s) + 2 {AgNO}_{3} (a q) ⟶ Cu {({NO}_{3})}_{2} (a q) + 2 Ag (s)

Þetta efnahvarf má sjá með því að setja koparvír í lausn sem inniheldur uppleyst silfursalt. Silfurjónir í lausninni afoxast í hreint silfur á yfirborði koparvírsins og Cu²⁺ jónirnar sem myndast leysast upp í lausninni og gefa henni einkennandi bláan lit (Mynd 4.9).

This figure contains three photographs. In a, a coiled copper wire is shown beside a test tube filled with a clear, colorless liquid. In b, the wire has been inserted into the test tube with the clear, colorless liquid. In c, the test tube contains a light blue liquid and the coiled wire appears to have a fuzzy silver gray coating. — Mynd 4.9 (a) Koparvír er sýndur við hliðina á lausn sem inniheldur silfur(I)jónir. (b) Útskipting uppleystra silfurjóna með koparjónum leiðir til (c) uppsöfnunar á gráleitum silfurmálmi á vírnum og myndunar á bláum lit í lausninni, vegna uppleystra koparjóna. (heimild: breyting á verki eftir Mark Ott)

Dæmi 4.7

Lýsing á oxunar-afoxunarhvörfum

Greinið hvaða jöfnur tákna oxunar-afoxunarhvörf og gefið upp nafn á efnahvarfinu ef við á. Fyrir þau efnahvörf sem eru oxunar-afoxunarhvörf, nefnið oxara og afoxara.

(a) ${{{\text{ZnCO}}}_{3}(s)\, \longrightarrow \, \text{ZnO}(s)+{{\text{CO}}}_{2}(g)}$

(b) ${2\text{Ga}{(l)}+3{\text{Br}}_{2}(l)\, \longrightarrow \, 2{{\text{GaBr}}}_{3}(s)}$

(d) ${{{\text{BaCl}}}_{2}(aq)+{\text{K}}_{2}{{\text{SO}}}_{4}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{BaSO}}}_{4}(s)+2\text{KCl}{({aq})}}$

(e) ${{\text{C}}_{2}{\text{H}}_{4}(g)+3{\text{O}}_{2}(g)\, \longrightarrow \, 2{{\text{CO}}}_{2}(g)+2{\text{H}}_{2}\text{O}{(l)}}$

Lausn

Oxunar-afoxunarhvörf eru skilgreind þannig að eitt eða fleiri frumefni gangast undir breytingu á oxunartölu.

(a) Þetta er ekki oxunar-afoxunarhvarf, þar sem oxunartölur allra frumefna eru óbreyttar.

(b) Þetta er oxunar-afoxunarhvarf. Gallín er oxað, oxunartala þess hækkar úr 0 í Ga(l) í +3 í GaBr₃(s). Afoxarinn er Ga(l). Bróm er afoxað, oxunartala þess lækkar úr 0 í Br₂(l) í −1 í GaBr₃(s). Oxarinn er Br₂(l).

(c) Þetta er oxunar-afoxunarhvarf. Þetta er sérstaklega áhugavert ferli, þar sem sama frumefnið, súrefni, gengst undir bæði oxun og afoxun (svokallað misvægishvarf). Súrefni er oxað, oxunartala þess hækkar úr −1 í H₂O₂(aq) í 0 í O₂(g). Súrefni er einnig afoxað, oxunartala þess lækkar úr −1 í H₂O₂(aq) í −2 í H₂O(l). Í misvægishvörfum virkar sama efnið sem bæði oxari og afoxari.

(d) Þetta er ekki oxunar-afoxunarhvarf, þar sem oxunartölur allra frumefna eru óbreyttar.

(e) Þetta er oxunar-afoxunarhvarf (bruni). Kolefni er oxað, oxunartala þess hækkar úr −2 í C₂H₄(g) í +4 í CO₂(g). Afoxarinn (eldsneytið) er C₂H₄(g). Súrefni er afoxað, oxunartala þess lækkar úr 0 í O₂(g) í −2 í H₂O(l). Oxarinn er O₂(g).

Prófaðu þekkingu þína

Þessi jafna lýsir myndun tin(II)klóríðs:

Sn (s) + 2 HCl (g) ⟶ {SnCl}_{2} (s) + H_{2} (g)

Er þetta oxunar-afoxunarhvarf? Ef svo er, gefðu upp nákvæmara nafn á efnahvarfinu ef við á og greindu oxara og afoxara.

Neðanmálsgreinar

Krafan um „hleðslujafnvægi“ er aðeins sérstök tegund af „massajafnvægi“ þar sem umræddar agnir eru rafeindir. Jafna verður að sýna jafnan fjölda rafeinda á hvarfefna- og myndefnahlið og því verður að stilla bæði frumeindir og hleðslur. ↩

Námsmarkmið