Tα σίδερα οξειδώνονται και είναι μια χημική διαδικασία κάπως ενοχλητική. Ενώ ο σίδηρος για 4000 χρόνια τώρα αποτέλεσε ένα εξαιρετικό υλικό με το οποίο φτιάξαμε από όπλα μέχρι εργαλεία μέχρι διακοσμητικά δυστυχώς ο σίδηρος σκουριάζει και τότε χάνει τις πολύτιμες ιδιότητές του. Γι' αυτό τα σιδερένια αντικείμενα τα βάφουμε, για να τα προστατεύσουμε από την οξείδωση.
Και δεν είναι μόνο ο σίδηρος, πάρα πολλά υλικά οξειδώνονται, με φωτεινή εξαίρεση τον χρυσό.
Έτσι από πολύ νωρίς αυτό το φαινόμενο της οξείδωσης απασχόλησε τους χημικούς, που βρήκαν οτι έχει να κάνει με το οξυγόνο.
Ορίζεται λοιπόν ότι: οξείδωση είναι η πρόσληψη οξυγόνου. Η αντίθετη διαδικασία δηλαδή η αποβολή οξυγόνου ονομάστηκε αναγωγή.
Το σκούριασμα των μετάλλων, η καύση του άνθρακα, η καύση του θείου και των άλλων αμετάλλων, αλλά και η καύση των υδατανθράκων μέσα στους ζωντανούς οργανισμούς για παραγωγή ενέργειας είναι οξείδωση. Ενώ αντίθετα η παραγωγή του σιδήρου από το σιδηρομετάλλευμα αλλά και η φωτοσύνθεση είναι αναγωγή.
Σύντομα αντιλήφθηκαν ότι η οξείδωση και η αναγωγή δεν έχει να κάνει μόνο με το οξυγόνο αλλά και με το υδρογόνο. Και επέκτειναν τον αρχικό ορισμό την οξείδωσης ώστε οξείδωση να είναι όχι μόνο η πρόσληψη οξυγόνου αλλά και η αποβολή υδρογόνου. Το αντίθετο είναι αναγωγή.
Έτσι μέχρι το 1900 η οξειδοαναγωγή είχε να κάνει μόνο με την πρόσληψη ή αποβολή ατόμων.
Mg + 1/2O2 → MgO ή C + O2 → CO2 οξείδωση του μαγνησίου ή του άνθρακα
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O αναγωγή του σιδήρου-Fe (αφαιρείται το Ο από το οξείδιο του Fe)
CH3OH → HCHO + H2 Η αφυδρογόνωση των αλκοολών είναι οξείδωση
ΗCΟΟΗ → CO2 + Η2 όπως επίσης και η αφυδρογόνωση του μυρμυγκικού οξέος (μεθανικό οξύ) είναι οξείδωση
Ενώ η υδρογόνωση του διπλού δεσμού είναι αναγωγή:
R−CH=CH−R + H2 → R−CH2−CH2−R Μια αντίδραση που χρησιμοποιείται στην παρασκευή υδρογονωμένων ελαίων. Η μαργαρίνη που κακώς πολλοί την λένε βούτυρο (το βούτυρο προέρχεται απο το γάλα) παρασκευάζεται με υδρογόνωση του ελαϊκού οξέος στο ελαιόλαδο οπότε προκύπτει το τριγλυκερίδιο του κορεσμένου οξέος που είναι στερεό σε θερμοκρασία δωματίου.
Αλλά η οξείδωση δεν μπορεί να συμβεί από μόνη της. Πάντα συνοδεύεται από μια κάποια αναγωγή. Όταν κάποιο άτομο προσλαμβάνει οξυγόνα (οξειδώνεται) κάποιο άλλο τα χάνει (ανάγεται). Γιαυτό το φαινόμενο λέγεται οξειδοαναγωγή ή redox στα αγγλικά από το reduction (αναγωγή) και το oxidation (οξείδωση).
Στην αντίδραση που συμβαίνει στις καταλυτικές εξατμίσεις των αυτοκινήτων:
CΟ + ΝΟ → CO2 + 1/2 Ν2 (απλοποιημένα)
το CO προσλαμβάνει οξυγόνο και οξειδώνεται ενώ το ΝΟ χάνει οξυγόνο και συνεπώς ανάγεται.
Η παραπάνω αντίδραση είναι τελείως ανάλογη με την αναγωγή του FeO προς παραγωγή χυτοσίδηρου:
CΟ + FeΟ → CO2 + 2 Fe
και εδώ όπως και παραπάνω το FeO χάνει οξυγόνο και το CO το προσλαμβάνει και οξειδώνεται. Το CO είναι το αναγωγικό που προκαλεί την αναγωγή του FeO.
Συνεπώς ο κύκλος των οξειοαναγωγικών αντιδράσεων διευρύνεται περιλαμβάνοντας όχι μόνο τις χημικές αντιδράσεις όπου εμπλέκονται υδρογόνα ή οξυγόνα αλλά όλες όπου μεταφέρονται ηλεκτρόνια από το ένα άτομο στο άλλο
Η αντίδραση σύνθεσης του NaF από τα στοιχεία του είναι μια τέτοια οξειδοαναγωγική αντίδραση μεταφοράς ηλεκτρονίων. Ενα ηλεκτρόνιο φεύγει απο το Na και το αρπάζει το F. Ετσι το Na οξειδώνεται αφού χάνει ηλεκτρόνιο και το φθόριο ανάγεται αφού παίρνει ηλεκτρόνιο. Σχηματίζονται τα ιόντα Na+ και F- που είναι ετερόσημα και έλκονται και σχηματίζεται ο ιοντικός κρύσταλλος του NaF.
Τέτοιες είναι και οι αντιδράσεις απλής αντικατάστασης. Σ' αυτές τις αντιδράσεις ένα άτομο μετάλλου σε μια ένωση αντικαθίσταται από ένα άλλο μέταλλο που είναι ισχυρότερο αναγωγικό.
Στα σχολικά βιβλία δίδεται η σειρά αναγωγικής ισχύος των μετάλλων:
και οι μαθητές επινοούν διάφορα ποιηματάκια για να την απομνημονεύσουν.
Αλλά υπάρχουν πολλές ομοιπολικές ενώσεις που οξειδώνονται. Όπως η οξείδωση της γλυκερίνης C3Η5(ΟΗ)3 (1,2,3 προπανοτριόλη) από το υπερμαγγανικό κάλιο ΚΜnΟ4 που βλέπουμε στο video. Χρειαζόμαστε λοιπόν έναν ορισμό που να περιλαμβάνει και τις ομοιοπολικές ενώσεις.
Για να προχωρήσουμε επινοούμε την έννοια του αριθμού οξείδωσης ή κατάσταση οξείδωσης.
Αριθμός οξείδωσης ενός ατόμου σε μια ιοντική ένωση είναι το φορτίο του ατόμου (ιόντος) ενώ στις ομοιοπολικές ενώσεις είναι το φαινομενικό φορτίο που αποκτά το άτομο αν τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων του κάθε δεσμού του, αποδοθούν στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο του δεσμού.
Έτσι τώρα πιά ξεκαθαρίζουμε οριστικά τα πράγματα και λέμε ότι :
Πηγές:
Αριθμός οξείδωσης
Oxidation_state
oxidation state απο την IUPAC
Οξειδοαναγωγή
Redox
Φλογιστό
Phlogiston theory
Και δεν είναι μόνο ο σίδηρος, πάρα πολλά υλικά οξειδώνονται, με φωτεινή εξαίρεση τον χρυσό.
Έτσι από πολύ νωρίς αυτό το φαινόμενο της οξείδωσης απασχόλησε τους χημικούς, που βρήκαν οτι έχει να κάνει με το οξυγόνο.
 |
| Βαριά σκουριά στους κρίκους μιας αλυσίδας κοντά στη γέφυρα Golden Gate στο Σαν Φρανσίσκο. που εκτίθεται συνεχώς σε υγρασία και σπρέι αλατόνερου από τη θάλασσα, προκαλώντας καταστροφή της επιφάνειας, σπασίματα και ξεφλούδισμα του μετάλλου. By Marlith - CC BY-SA 3.0, from Wikimedia Commons |
Ορίζεται λοιπόν ότι: οξείδωση είναι η πρόσληψη οξυγόνου. Η αντίθετη διαδικασία δηλαδή η αποβολή οξυγόνου ονομάστηκε αναγωγή.
Το σκούριασμα των μετάλλων, η καύση του άνθρακα, η καύση του θείου και των άλλων αμετάλλων, αλλά και η καύση των υδατανθράκων μέσα στους ζωντανούς οργανισμούς για παραγωγή ενέργειας είναι οξείδωση. Ενώ αντίθετα η παραγωγή του σιδήρου από το σιδηρομετάλλευμα αλλά και η φωτοσύνθεση είναι αναγωγή.
Σύντομα αντιλήφθηκαν ότι η οξείδωση και η αναγωγή δεν έχει να κάνει μόνο με το οξυγόνο αλλά και με το υδρογόνο. Και επέκτειναν τον αρχικό ορισμό την οξείδωσης ώστε οξείδωση να είναι όχι μόνο η πρόσληψη οξυγόνου αλλά και η αποβολή υδρογόνου. Το αντίθετο είναι αναγωγή.
Έτσι μέχρι το 1900 η οξειδοαναγωγή είχε να κάνει μόνο με την πρόσληψη ή αποβολή ατόμων.
Mg + 1/2O2 → MgO ή C + O2 → CO2 οξείδωση του μαγνησίου ή του άνθρακα
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O αναγωγή του σιδήρου-Fe (αφαιρείται το Ο από το οξείδιο του Fe)
CH3OH → HCHO + H2 Η αφυδρογόνωση των αλκοολών είναι οξείδωση
ΗCΟΟΗ → CO2 + Η2 όπως επίσης και η αφυδρογόνωση του μυρμυγκικού οξέος (μεθανικό οξύ) είναι οξείδωση
Ενώ η υδρογόνωση του διπλού δεσμού είναι αναγωγή:
R−CH=CH−R + H2 → R−CH2−CH2−R Μια αντίδραση που χρησιμοποιείται στην παρασκευή υδρογονωμένων ελαίων. Η μαργαρίνη που κακώς πολλοί την λένε βούτυρο (το βούτυρο προέρχεται απο το γάλα) παρασκευάζεται με υδρογόνωση του ελαϊκού οξέος στο ελαιόλαδο οπότε προκύπτει το τριγλυκερίδιο του κορεσμένου οξέος που είναι στερεό σε θερμοκρασία δωματίου.
Δυό κατοπτρικά φαινόμενα
 |
| Τα οξείδια όπως το οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου ή η σκουριά που συνίσταται από ενυδατωμένο οξείδιο του Fe(III) Fe2O3·nH2O και υδρόξυ-οξείδιο FeO(OH) ή υδροξείδιο του Fe(III) Fe(OH)3), σχηματίζονται όταν το οξυγόνο ενώνεται με άλλα στοιχεία. By Paulnasca - Own work, CC BY 2.0, Wikimedia Commons |
Στην αντίδραση που συμβαίνει στις καταλυτικές εξατμίσεις των αυτοκινήτων:
CΟ + ΝΟ → CO2 + 1/2 Ν2 (απλοποιημένα)
το CO προσλαμβάνει οξυγόνο και οξειδώνεται ενώ το ΝΟ χάνει οξυγόνο και συνεπώς ανάγεται.
Η παραπάνω αντίδραση είναι τελείως ανάλογη με την αναγωγή του FeO προς παραγωγή χυτοσίδηρου:
CΟ + FeΟ → CO2 + 2 Fe
και εδώ όπως και παραπάνω το FeO χάνει οξυγόνο και το CO το προσλαμβάνει και οξειδώνεται. Το CO είναι το αναγωγικό που προκαλεί την αναγωγή του FeO.
Μεταφορά ηλεκτρονίων
Από τις αρχές του 20ου αιώνα το ηλεκτρόνιο έχει ήδη ανακαλυφθεί και εμπεδωθεί. Οι χημικές ιδιότητες έχουν να κάνουν με τα ηλεκτρόνια και έτσι δεν θα μπορούσε να μείνει πίσω και η οξειδοαναγωγή. Τώρα πια ως οξείδωση ορίζουμε την αποβολή ηλεκτρονίου ενώ η πρόσληψη ηλεκτρονίων είναι αναγωγή. |
| By Wdcf - Own work, CC BY-SA 3.0, from Wikimedia Commons |
Η αντίδραση σύνθεσης του NaF από τα στοιχεία του είναι μια τέτοια οξειδοαναγωγική αντίδραση μεταφοράς ηλεκτρονίων. Ενα ηλεκτρόνιο φεύγει απο το Na και το αρπάζει το F. Ετσι το Na οξειδώνεται αφού χάνει ηλεκτρόνιο και το φθόριο ανάγεται αφού παίρνει ηλεκτρόνιο. Σχηματίζονται τα ιόντα Na+ και F- που είναι ετερόσημα και έλκονται και σχηματίζεται ο ιοντικός κρύσταλλος του NaF.
Τέτοιες είναι και οι αντιδράσεις απλής αντικατάστασης. Σ' αυτές τις αντιδράσεις ένα άτομο μετάλλου σε μια ένωση αντικαθίσταται από ένα άλλο μέταλλο που είναι ισχυρότερο αναγωγικό.
Στα σχολικά βιβλία δίδεται η σειρά αναγωγικής ισχύος των μετάλλων:
K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au
Κάνε, Βαριά, Καρδιά(Ca), Ναύτη, Μάγκα(Mg),
Αλλά(Al), Μη, Ζητάς, Χρήματα(Cr), Φέτος(Fe),
Κόρη(Co), Νύφη(Ni), Συνειφάδα(Sn), Πεθερά(Pb),
Η, Κούλα(Cu), Η γλυκειά(Hg),
Αγαπάει(Ag), τον Πέτρο(Pt), τον Αυτιά(Au))
Σ' αυτήν τη σειρά, που προφανώς δεν είναι πλήρης, το κάθε μέταλλο (Μ1) που προηγείται ενός άλλου (Μ2) είναι ισχυρότερο αναγωγικό. Έτσι το Μ1 αντικαθιστά το Μ2 σε κάθε ένωση που περιέχει το Μ2 ενωμένο με κάποιο αρνητικό ιόν:
Μ1 + Μ2Αx → Μ2 + Μ1Αy (To Μ1 του τα πήρε τα ανιόντα του Μ2 και το άφησε μόνο του)
Για παράδειγμα ο ψευδάργυρος αντικαθιστά τον χαλκό στον θειικό χαλκό:
Zn(s)+ CuSO4(aq) → ZnSO4(aq) + Cu(s)
Σ' αυτήν την αντίδραση ο μεταλλικός ψευδάργυρος οξειδώνεται από τα ιόντα του δισθενούς χαλκού του θειικού χαλκου και μετατρέπονται σε ιόντα ψευδαργύρου ελευθερώνοντας μεταλλικό χαλκό.
Η ιοντική εξίσωση της αντίδρασης είναι:
- Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
Και αν δούμε τις δύο ημιαντιδράσεις και παρατηρήσουμε τα ηλεκτρόνια, βλέπουμε ότι ο ψευδάργυρος χάνει ηλεκτρόνια και οξειδώνεται :
- Zn → Zn2+ + 2 e−
και ο χαλκός παίρνει ηλεκτρόνια και ανάγεται:
- Cu2+ + 2 e− → Cu
Η οξειοαναγωγή στις ομοιοπολικές ενώσεις.
Ενώ ο ορισμός της οξειγοαναγωγής ως μεταφορά ηλεκτρονίων είναι μια σημαντική γενίκευση δυστυχώς για να εφαρμοστεί θα πρέπει να μεταφερθούν ηλεκτρόνια και να σχηματιστούν ιόντα. Δηλαδή ιοντικές ενώσεις.Αλλά υπάρχουν πολλές ομοιπολικές ενώσεις που οξειδώνονται. Όπως η οξείδωση της γλυκερίνης C3Η5(ΟΗ)3 (1,2,3 προπανοτριόλη) από το υπερμαγγανικό κάλιο ΚΜnΟ4 που βλέπουμε στο video. Χρειαζόμαστε λοιπόν έναν ορισμό που να περιλαμβάνει και τις ομοιοπολικές ενώσεις.
Για να προχωρήσουμε επινοούμε την έννοια του αριθμού οξείδωσης ή κατάσταση οξείδωσης.
Αριθμός οξείδωσης ενός ατόμου σε μια ιοντική ένωση είναι το φορτίο του ατόμου (ιόντος) ενώ στις ομοιοπολικές ενώσεις είναι το φαινομενικό φορτίο που αποκτά το άτομο αν τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων του κάθε δεσμού του, αποδοθούν στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο του δεσμού.
Έτσι τώρα πιά ξεκαθαρίζουμε οριστικά τα πράγματα και λέμε ότι :
Οξείδωση είναι η αύξηση του αριθμού οξείδωσης.
ενώ αναγωγή είναι το αντίθετο.Πηγές:
Αριθμός οξείδωσης
Oxidation_state
oxidation state απο την IUPAC
Οξειδοαναγωγή
Redox
Φλογιστό
Phlogiston theory