17.1 Yfirlit yfir oxunar-afoxunarefnafræði

Yfirlit yfir oxunar-afoxunarefnafræði

Námsmarkmið

Þegar þessum kafla lýkur muntu geta:

Lýst einkennandi eiginleikum oxunar-afoxunarefnafræði
Borið kennsl á oxara og afoxara í oxunar-afoxunarhvarfi
Stillt efnajöfnur fyrir oxunar-afoxunarhvörf með hálfhvarfsaðferðinni

Þar sem efnahvörf sem fela í sér flutning rafeinda eru grundvallaratriði í rafefnafræði er hér gefið stutt yfirlit yfir oxunar-afoxunarefnafræði sem tekur saman og útvíkkar efni fyrri kafla (sjá kafla um efnajöfnureikninga). Lesendum sem vilja frekari upprifjun er bent á kaflann um efnajöfnureikninga.

Oxunartölur

Samkvæmt skilgreiningu er oxunar-afoxunarhvarf efnahvarf sem felur í sér breytingar á oxunartölu (eða oxunarástandi) fyrir eitt eða fleiri af þeim frumefnum sem taka þátt. Oxunartala frumefnis í efnasambandi er í raun mat á því hvernig rafeindaumhverfi frumeinda þess er frábrugðið í samanburði við frumeindir hreins frumefnis. Samkvæmt þessari lýsingu er oxunartala frumeindar í frumefni jöfn núlli. Fyrir frumeind í efnasambandi er oxunartalan jöfn hleðslunni sem frumeindin hefði í efnasambandinu ef efnasambandið væri jónaefni. Afleiðing þessara reglna er að summa oxunartalna allra frumeinda í sameind er jöfn hleðslu sameindarinnar. Til að útskýra þessa formreglu verða tekin dæmi úr tveimur flokkum efnasambanda, jónaefnum og samgildum efnasamböndum.

Einföld jónaefni eru einföldustu dæmin til að útskýra þessa formreglu, þar sem oxunartölur frumefnanna eru samkvæmt skilgreiningu tölulega jafngildar jónahleðslum. Natríumklóríð, NaCl, samanstendur af Na⁺ katjónum og Cl⁻ anjónum, og því eru oxunartölur fyrir natríum og klór +1 og −1, í sömu röð. Kalsíumflúoríð, CaF₂, samanstendur af Ca²⁺ katjónum og F⁻ anjónum, og því eru oxunartölur fyrir kalsíum og flúor +2 og −1, í sömu röð.

Samgild efnasambönd krefjast flóknari notkunar á formreglunni. Vatn er samgilt efnasamband þar sem sameindirnar samanstanda af tveimur H-frumeindum sem eru hvor um sig tengdar miðlægri O-frumeind með skautuðum samgildum O−H efnatengjum. Sameiginlegu rafeindirnar sem mynda O−H efnatengi dragast sterkara að rafeindadrægari O-frumeindinni og því fær hún neikvæða hlutahleðslu í vatnssameindinni (miðað við O-frumeind í hreinu súrefni). Þar af leiðandi sýna H-frumeindir í vatnssameind jákvæðar hlutahleðslur samanborið við H-frumeindir í hreinu vetni. Summa neikvæðu og jákvæðu hlutahleðslnanna fyrir hverja vatnssameind er núll og vatnssameindin er hlutlaus.

Hugsum okkur að skautun sameiginlegra rafeinda innan O−H efnatengja vatns væri 100% fullkomin – niðurstaðan yrði flutningur rafeinda frá H til O og vatn yrði jónaefni sem samanstæði af O²⁻ anjónum og H⁺ katjónum. Og því eru oxunartölur fyrir súrefni og vetni í vatni −2 og +1, í sömu röð. Með því að beita sömu rökfræði á kolefnistetraklóríð, CCl₄, fást oxunartölurnar +4 fyrir kolefni og −1 fyrir klór. Í nítratjóninni, ${{{\text{NO}}}_{{_{3}}}^{-}}$ , er oxunartala fyrir nitur +5 og fyrir súrefni −2, sem leggst saman og jafngildir 1− hleðslu sameindarinnar:

Að stilla oxunar-afoxunarjöfnur

Óstillta jafnan hér að neðan lýsir sundrun bráðins natríumklóríðs:

Þetta efnahvarf uppfyllir skilyrðið fyrir flokkun sem oxunar-afoxunarhvarf, þar sem oxunartala Na lækkar úr +1 í 0 (það gengst undir afoxun) og oxunartala Cl hækkar úr −1 í 0 (það gengst undir oxun). Í þessu tilviki er auðvelt að stilla jöfnuna með yfirsýn, sem krefst stuðlanna 2 fyrir NaCl og Na:

Oxunar-afoxunarhvörf sem eiga sér stað í vatnslausnum eru algeng í rafefnafræði og mörg þeirra fela í sér vatn eða einkennandi jónir þess, H⁺(aq) og OH⁻(aq), sem hvarfefni eða myndefni. Í þessum tilvikum getur verið mjög erfitt að stilla jöfnur sem tákna oxunar-afoxunarhvarfið með yfirsýn og þá er gagnlegt að nota kerfisbundna aðferð sem kallast hálfhvarfsaðferðin. Þessi aðferð felur í sér eftirfarandi skref:

Skrifaðu grunnjöfnur fyrir oxunar- og afoxunarhálfhvörfin.
Stilltu hvert hálfhvarf fyrir öll frumefni nema H og O.
Stilltu hvert hálfhvarf fyrir O með því að bæta við H₂O.
Stilltu hvert hálfhvarf fyrir H með því að bæta við H⁺.
Stilltu hvert hálfhvarf fyrir hleðslu með því að bæta við rafeindum.
Ef nauðsyn krefur, margfaldaðu annað eða bæði hálfhvörfin þannig að fjöldi rafeinda sem notaður er í öðru sé jafn fjölda rafeinda sem myndast í hinu.
Leggðu saman hálfhvörfin tvö og einfaldaðu.
Ef efnahvarfið á sér stað í basiskum miðli, bættu OH⁻ jónum við jöfnuna sem fékkst í skrefi 7 til að hlutleysa H⁺ jónirnar (bættu við í jöfnum fjölda á báðar hliðar jöfnunnar) og einfaldaðu.

Dæmin hér að neðan sýna notkun þessarar aðferðar við að stilla jöfnur fyrir oxunar-afoxunarhvörf í vatni.

Dæmi 17.1

Að stilla jöfnur fyrir oxunar-afoxunarhvörf í súrum lausnum

Skrifaðu stillta jöfnu sem táknar efnahvarf milli fasts kopars og saltpéturssýru sem gefur af sér kopar(II)jónir í vatnslausn og niturmónoxíðgas.

Lausn

Farið er eftir skrefum hálfhvarfsaðferðarinnar:

Skrifaðu grunnjöfnur fyrir oxunar- og afoxunarhálfhvörfin.
${\text{oxidation:}\, \text{Cu}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)}$
${\text{reduction:}\, {{\text{HNO}}}_{3}(aq)\, \longrightarrow \, \text{NO}(g)}$
Stilltu hvort hálfhvarf fyrir öll frumefni nema H og O.
${\text{oxidation:}\, \text{Cu}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)}$
${\text{reduction:}\, {{\text{HNO}}}_{3}(aq)\, \longrightarrow \, \text{NO}(g)}$
Stilltu hvort hálfhvarf fyrir O með því að bæta við H₂O.
${\text{oxidation:}\, \text{Cu}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)}$
${\text{reduction:}\, {{\text{HNO}}}_{3}(aq)\, \longrightarrow \, \text{NO}(g)\, +\, {{\text{2H}}}_{2}\text{O}(l)}$
Stilltu hvort hálfhvarf fyrir H með því að bæta við H⁺.
${\text{oxidation:}\, \text{Cu}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)}$
${\text{reduction:}\, {{\text{3H}}}^{\text{+}}(aq)+{{\text{HNO}}}_{3}(aq)\, \longrightarrow \, \text{NO}(g)+{{\text{2H}}}_{2}\text{O}(l)}$
Stilltu hvort hálfhvarf fyrir hleðslu með því að bæta við rafeindum.
${\text{oxidation:}\, \text{Cu}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)\, +\, 2{\text{e}}^{\text{−}}}$
${\text{reduction:}\, 3{\text{e}}^{\text{−}}+3{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{{\text{HNO}}}_{3}(aq)\, \longrightarrow \, \text{NO}(g)+{{\text{2H}}}_{2}\text{O}(l)}$
Ef nauðsyn krefur, margfaldaðu annað eða bæði hálfhvörfin þannig að fjöldi rafeinda sem notaður er í öðru sé jafn fjölda rafeinda sem myndast í hinu.
${\text{oxidation (×3):}\, 3\text{Cu}(s)\, \longrightarrow \, 3{{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)+6\sout{2}{\text{e}}^{\text{−}}}$
${\text{reduction (×2):}\, 6\sout{3}{\text{e}}^{{\text{−}}}+6\sout{3}{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+2{{\text{HNO}}}_{3}(aq)\, \longrightarrow \, 2\text{NO}(g)+4\sout{2}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)}$
Leggðu saman hálfhvörfin tvö og einfaldaðu.
${3\text{Cu}(s)+\sout{6}{\text{e}}^{\text{−}}+6{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+2{{\text{HNO}}}_{3}(aq)\, \longrightarrow \, 3{{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)+\sout{6}{\text{e}}^{\text{−}}+2\text{NO}(g)+4{\text{H}}_{2}\text{O}(l)}$
${3\text{Cu}(s)+6{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+2{{\text{HNO}}}_{3}(aq)\, \longrightarrow \, 3{{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)+2\text{NO}(g)+4{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)}$
Ef efnahvarfið á sér stað í basískum miðli, bættu OH⁻ jónum við jöfnuna sem fékkst í skrefi 7 til að hlutleysa H⁺ jónirnar (bættu við jöfnum fjölda beggja vegna jöfnunnar) og einfaldaðu.
Þetta skref er ekki nauðsynlegt þar sem kveðið er á um að lausnin sé súr.

Stillta jafnan fyrir efnahvarfið í súrri lausn er þá

Kannaðu þekkingu þína

Efnahvarfið hér að ofan á sér stað þegar tiltölulega þynnt saltpéturssýra er notuð. Ef notuð er óþynnt saltpéturssýra myndast niturdíoxíð í stað niturmónoxíðs. Skrifaðu stillta jöfnu fyrir þetta efnahvarf.

Dæmi 17.2

Stilling jafna fyrir oxunar-afoxunarhvörf í basískum lausnum

Skrifaðu stillta jöfnu sem táknar efnahvarf milli permenganatjónar í vatnslausn, ${{{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}}$ , og kró(III)hýdroxíðs í föstu formi, Cr(OH)₃, til að mynda mangan(IV)oxíð í föstu formi, MnO₂, og krómatjón í vatnslausn, ${{{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}}$ Efnahvarfið á sér stað í basískri lausn.

Lausn

Farið er eftir skrefum hálfhvarfsaðferðarinnar:

Skrifaðu grunnjöfnur fyrir oxunar- og afoxunarhálfhvörfin.
${\text{oxidation:}\, {{\text{Cr(OH)}}}_{3}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}(aq)}$
${\text{reduction:}\, {{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{MnO}}}_{2}(s)}$
Stilltu hvort hálfhvarf fyrir öll frumefni nema H og O.
${\text{oxidation:}\, {{\text{Cr(OH)}}}_{3}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}(aq)}$
${\text{reduction:}\, {{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{MnO}}}_{2}(s)}$
Stilltu hvort hálfhvarf fyrir O með því að bæta við H₂O.
${\text{oxidation:}\, {\text{H}}_{2}\text{O}(l)+\text{Cr}(\text{OH}{)}_{3}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}(aq)}$
${\text{reduction:}\, {{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{MnO}}}_{2}(s)\, +\, 2{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)}$
Stilltu hvort hálfhvarf fyrir H með því að bæta við H⁺.
${\text{oxidation:}\, {\text{H}}_{2}\text{O}(l)+\text{Cr}(\text{OH}{)}_{3}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}(aq)\, +\, 5{\text{H}}^{\text{+}}(aq)}$
${\text{reduction:}\, 4{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{MnO}}}_{2}(s)+2{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)}$
Stilltu hvort hálfhvarf fyrir hleðslu með því að bæta við rafeindum.
${\text{oxidation:}\, {\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)+\text{Cr}(\text{OH}{)}_{3}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}(aq)+5{\text{H}}^{\text{+}}(aq)\, +\, 3{\text{e}}^{\text{−}}}$
${\text{reduction:}\, 3{\text{e}}^{\text{−}}+4{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{MnO}}}_{2}(s)+2{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)}$
Ef nauðsyn krefur, margfaldaðu annað eða bæði hálfhvörfin þannig að fjöldi rafeinda sem notaður er í öðru sé jafn fjölda rafeinda sem myndast í hinu.
Þetta skref er ekki nauðsynlegt þar sem fjöldi rafeinda er þegar stilltur.
Leggðu saman hálfhvörfin tvö og einfaldaðu.
$\begin{aligned} {\sout{{\text{H}}_{2}\text{O}(l)}+{{\text{Cr(OH)}}}_{3}(s)+\sout{3{\text{e}}^{{\text{−}}}}+\sout{4{\text{H}}^{\text{+}}(aq)}+{{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}(aq)\, \longrightarrow \,} & {{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}(aq)+\sout{5}{\text{H}}^{\text{+}}(aq) \\ +\sout{3{\text{e}}^{\text{−}}}+{{\text{MnO}}}_{2}(s)+2{\text{H}}_{2}\text{O}(l) \end{aligned}$
${\text{Cr}{{(\text{OH})}}_{3}(s)+{{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}(aq)+{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{{\text{MnO}}}_{2}(s)+{\text{H}}_{2}\text{O}(l)}$
Ef efnahvarfið á sér stað í basískum miðli, bættu OH⁻ jónum við jöfnuna sem fékkst í skrefi 7 til að hlutleysa H⁺ jónirnar (bættu við jöfnum fjölda beggja vegna jöfnunnar) og einfaldaðu.
${{{\text{OH}}}^{\text{−}}(aq)+{{\text{Cr(OH)}}}_{3}(s)+{{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}(aq)+{\text{H}}^{\text{+}}(aq)\, +\, {{\text{OH}}}^{\text{−}}(aq)+{{\text{MnO}}}_{2}(s)+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}(l)}$
${{{\text{OH}}}^{\text{−}}(aq)+{{\text{Cr(OH)}}}_{3}(s)+{{\text{MnO}}}_{4}^{\text{−}}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{CrO}}}_{4}^{{2-}}(aq)+{{\text{MnO}}}_{2}(s)+2{\text{H}}_{2}\text{O}(l)}$

Kannaðu þekkingu þína

Einnig er hægt að afoxa permenganatjón í vatnslausn með því að nota brómíðjón í vatnslausn, Br⁻. Myndefni þessa efnahvarfs eru mangan(IV)oxíð í föstu formi og brómatjón í vatnslausn, BrO₃⁻. Skrifaðu stillta jöfnu fyrir þetta efnahvarf sem á sér stað í basískum miðli.