Најважније из лекције
Оксидација: губитак електрона, пораст оксидационог броја (\(\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-\)).
Редукција: добитак електрона, смањење оксидационог броја (\(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\)).
Оксидационо средство: прима електроне (редукује се), нпр. \(\text{KMnO}_4, \text{HNO}_3, \text{F}_2, \text{Cl}_2\).
Редукционо средство: отпушта електроне (оксидује се), нпр. метали (\(\text{Na, Zn, Al}\)), \(\text{H}_2, \text{H}_2\text{S}, \text{CO}\).
Напонски низ: Метали лево од \(\text{H}_2\) истискују водоник из разблажених киселина и истискују метале десно од себе из њихових соли.
Електронски биланс: Број отпуштених електрона мора бити једнак броју примљених електрона (\(\sum e^-_{\text{отпуштено}} = \sum e^-_{\text{примљено}}\)).
Редукција: добитак електрона, смањење оксидационог броја (\(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\)).
Оксидационо средство: прима електроне (редукује се), нпр. \(\text{KMnO}_4, \text{HNO}_3, \text{F}_2, \text{Cl}_2\).
Редукционо средство: отпушта електроне (оксидује се), нпр. метали (\(\text{Na, Zn, Al}\)), \(\text{H}_2, \text{H}_2\text{S}, \text{CO}\).
Напонски низ: Метали лево од \(\text{H}_2\) истискују водоник из разблажених киселина и истискују метале десно од себе из њихових соли.
Електронски биланс: Број отпуштених електрона мора бити једнак броју примљених електрона (\(\sum e^-_{\text{отпуштено}} = \sum e^-_{\text{примљено}}\)).
Оксидоредукционе (редокс) реакције су хемијске реакције у којима долази до прелаза (размене) електрона између честица реактаната, што доводи до промене њихових оксидационих бројева.
Оксидација је процес отпуштања електрона при чему се оксидациони број честице повећава.
Редукција је процес примања електрона при чему се оксидациони број честице смањује.
\[ \text{Оксидација: } \overset{0}{\text{Na}} \xrightarrow{-1e^-} \overset{+1}{\text{Na}}^+ \quad \text{или} \quad \text{Na} \rightarrow \text{Na}^+ + e^- \]
\[ \text{Редукција: } \overset{0}{\text{Cl}}_2 \xrightarrow{+2e^-} 2\overset{-1}{\text{Cl}}^- \quad \text{или} \quad \text{Cl}_2 + 2e^- \rightarrow 2\text{Cl}^- \]
Оксидација и редукција су увек спрегнути процеси који се одвијају истовремено. Број електрона које отпусти честица која се оксидује мора бити строго једнак броју електрона које прими честица која се редукује.
Одредити који се елемент оксидовао, а који редуковао у реакцији:
\[ 2\overset{+2}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}} + \overset{0}{\text{O}}_2 \rightarrow 2\overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}}_2 \]
Угљеник мења оксидациони број са \(+2\) на \(+4\) (отпушта електроне) - оксидовао се.
Елементарни кисеоник (\(\text{O}_2\)) мења оксидациони број са \(0\) на \(-2\) (прима електроне) - редуковао се.
Елементарни кисеоник (\(\text{O}_2\)) мења оксидациони број са \(0\) на \(-2\) (прима електроне) - редуковао се.
Редукционо средство (донор електрона) је супстанца чији се атоми или јони оксидују (отпуштају електроне) и тиме редукују другу супстанцу.
Оксидационо средство (акцептор електрона) је супстанца чији се атоми или јони редукују (примају електроне) и тиме оксидују другу супстанцу.
Редокс-пар чине оксидовани и редуковани облик исте хемијске врсте. Записује се у облику \(\text{оксидовани облик / редуковани облик}\) (нпр. \(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}\), \(\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}\), \(\text{F}_2/\text{F}^-\)).
Могућност супстанце да буде оксидационо или редукционо средство зависи од тренутног оксидационог броја њених атома у односу на њихов могући опсег:
- Само оксидациона средства: супстанце где је елемент у максималном оксидационом броју (нпр. \(\text{K}\overset{+7}{\text{Mn}}\text{O}_4\), \(\text{H}\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3\), \(\text{H}_2\overset{+6}{\text{S}}\text{O}_4\)), јер могу само примати електроне.
- Само редукциона средства: супстанце где је елемент у минималном оксидационом броју (нпр. \(\text{H}_2\overset{-2}{\text{S}}\), \(\overset{-3}{\text{N}}\text{H}_3\), елементарни метали \(\overset{0}{\text{M}}\)), јер могу само отпуштати електроне.
- И оксидациона и редукциона средства: супстанце са елементом у међустању (нпр. \(\text{H}_2\overset{-1}{\text{O}}_2\), \(\overset{+4}{\text{S}}\text{O}_2\), \(\text{H}\overset{+3}{\text{N}}\text{O}_2\), \(\overset{+2}{\text{Fe}}^{2+}\)).
У реакцији \(\overset{0}{\text{Zn}} + \overset{2+}{\text{Cu}} \rightarrow \overset{2+}{\text{Zn}} + \overset{0}{\text{Cu}}\):
\(\text{Zn}\) је редукционо средство (оксидовао се).
\(\text{Cu}^{2+}\) је оксидационо средство (редуковао се).
\(\text{Zn}\) је редукционо средство (оксидовао се).
\(\text{Cu}^{2+}\) је оксидационо средство (редуковао се).
Оксидациона моћ халогених елемената (17. група):
Оксидациона моћ опада са порастом атомског броја у групи: \[ \text{I}_2 < \text{Br}_2 < \text{Cl}_2 < \text{F}_2 \] Елемент веће оксидационе моћи истискује халоген мање оксидационе моћи из раствора његових соли: \[ \text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2 \quad (\text{реакција се одиграва}) \] \[ \text{I}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow \text{нема реакције} \]
Оксидациона моћ опада са порастом атомског броја у групи: \[ \text{I}_2 < \text{Br}_2 < \text{Cl}_2 < \text{F}_2 \] Елемент веће оксидационе моћи истискује халоген мање оксидационе моћи из раствора његових соли: \[ \text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2 \quad (\text{реакција се одиграва}) \] \[ \text{I}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow \text{нема реакције} \]
Флуор (\(\text{F}_2\)) је најјаче оксидационо средство међу елементима, док је његов одговарајући јон (\(\text{F}^-\)) веома слабо редукционо средство.
Утицај pH средине на оксидациону моћ:
Јачина оксидационог средства често зависи од киселости раствора. На пример, калијум-перманганат (\(\text{KMnO}_4\)) испољава највећу оксидациону моћ у киселој средини:
Јачина оксидационог средства често зависи од киселости раствора. На пример, калијум-перманганат (\(\text{KMnO}_4\)) испољава највећу оксидациону моћ у киселој средини:
- Кисела средина (\(\text{H}^+\)): \(\overset{+7}{\text{Mn}} + 5e^- \rightarrow \overset{+2}{\text{Mn}}\) (раствор губи љубичасту боју и постаје бледоружичаст).
- Базна средина (\(\text{OH}^-\)): \(\overset{+7}{\text{Mn}} + 1e^- \rightarrow \overset{+6}{\text{Mn}}\) (настаје зелени раствор \(\text{K}_2\text{MnO}_4\)).
Напонски низ метала (Волтин низ) представља низ у коме су метали и водоник поређани по опадању њихове редукционе моћи:
\[ \text{K} \quad \text{Na} \quad \text{Ca} \quad \text{Mg} \quad \text{Al} \quad \text{Zn} \quad \text{Fe} \quad \text{Sn} \quad \mathbf{H_2} \quad \text{Cu} \quad \text{Hg} \quad \text{Ag} \quad \text{Au} \]
\(\longleftarrow\) Расте редукциона моћ метала (лакше отпуштају електроне)
1. Истискивање метала из соли: Сваки метал у низу може истиснути (редуковати) метал који се налази десно од њега из раствора његове соли.
\[ \text{Fe} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu} \downarrow \]
2. Реакција са киселинама:
- Метали лево од \(\text{H}_2\): истискују гасовити водоник из разблажених киселина које немају оксидационо дејство (\(\text{HCl}\), разблажена \(\text{H}_2\text{SO}_4\)). \[ \text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2 \uparrow \]
- Метали десно од \(\text{H}_2\) (\(\text{Cu, Hg, Ag, Au}\)): не реагују са разблаженом \(\text{HCl}\) нити истискују водоник. Они реагују само са киселинама оксидационог дејства (\(\text{HNO}_3\), концентрована \(\text{H}_2\text{SO}_4\)) при чему се ослобађају оксиди (\(\text{NO}_2, \text{NO}, \text{SO}_2\)), а не \(\text{H}_2\). \[ \text{Cu} + 4\text{HNO}_3\text{(конц.)} \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2 \uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \]
Одредити оксидационе бројеве свих атома у једначини реакције.
Издвојити атоме/јоне којима се оксидациони број променио и саставити полуреакције оксидације и редукције.
Наћи најмањи заједнички садржалац за број отпуштених и примљених електрона и одредити множиоце за полуреакције.
Пренети добијене коефицијенте у укупну хемијску једначину испред одговарајућих једињења.
Изједначити остале атоме који нису мењали оксидациони број (метале, затим неметале и водоник), а проверу извршити преко броја атома кисеоника.
Изједначавање реакције алуминијума и хлороводоничне киселине:
\[ \overset{0}{\text{Al}} + \overset{+1}{\text{H}}\text{Cl} \rightarrow \overset{+3}{\text{Al}}\text{Cl}_3 + \overset{0}{\text{H}}_2 \]
Шема размене електрона:
\[ \begin{array}{ll} \overset{0}{\text{Al}} \xrightarrow{-3e^-} \overset{+3}{\text{Al}} & /\cdot 2 \\ 2\overset{+1}{\text{H}} \xrightarrow{+2e^-} \overset{0}{\text{H}}_2 & /\cdot 3 \end{array} \]
Укупна једначина:
\[ 2\text{Al} + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2 \]
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): У следећој реакцији одредити шта се оксидовало, шта редуковало, као и шта представља оксидационо, а шта редукционо средство:
\[ 2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO} \]
Оксидациони бројеви: \(2\overset{0}{\text{Mg}} + \overset{0}{\text{O}}_2 \rightarrow 2\overset{+2}{\text{Mg}}\overset{-2}{\text{O}}\).
- \(\text{Mg}\) прелази из \(0\) у \(+2\) (отпушта електроне) \(\rightarrow\) оксидовао се, он је редукционо средство.
- \(\text{O}_2\) прелази из \(0\) у \(-2\) (прима електроне) \(\rightarrow\) редуковао се, он је оксидационо средство.
Задатак 2 (средњи): На основу положаја у напонском низу метала и релативне јачине халогена, одредити које од понуђених реакција се спонтано одигравају:
а) \(\text{Cu} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CuCl}_2 + \text{H}_2\)
б) \(\text{Zn} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{Cu}\)
в) \(2\text{NaBr} + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{NaCl} + \text{Br}_2\)
г) \(2\text{NaCl} + \text{I}_2 \rightarrow 2\text{NaI} + \text{Cl}_2\)
а) \(\text{Cu} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CuCl}_2 + \text{H}_2\)
б) \(\text{Zn} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{Cu}\)
в) \(2\text{NaBr} + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{NaCl} + \text{Br}_2\)
г) \(2\text{NaCl} + \text{I}_2 \rightarrow 2\text{NaI} + \text{Cl}_2\)
Тачне (могуће) реакције су под б) и в).
Образложење:
Образложење:
- а) Није могућа, јер је бакар десно од водоника у напонском низу и не може га истиснути из разблажених киселина.
- б) Могућа је, јер је цинк лево од бакра у напонском низу и има већу редукциону моћ.
- в) Могућа је, јер је хлор јаче оксидационо средство од брома (\(\text{Cl}_2 > \text{Br}_2\)) и истискује бром из бромида.
- г) Није могућа, јер је јод слабије оксидационо средство од хлора.
Задатак 3 (средњи): Користећи оксидационе бројеве, објаснити зашто водоник-пероксид (\(\text{H}_2\text{O}_2\)) може деловати и као оксидационо и као редукционо средство, док калијум-перманганат (\(\text{KMnO}_4\)) делује искључиво као оксидационо средство.
У \(\text{H}_2\overset{-1}{\text{O}}_2\) кисеоник има оксидациони број \(-1\), што је међустање између минималног (\(-2\)) и максималног (\(0\)). Због тога кисеоник може и примати електроне (редукција до \(\text{H}_2\overset{-2}{\text{O}}\)) и отпуштати електроне (оксидација до \(\overset{0}{\text{O}}_2\)).
У \(\text{K}\overset{+7}{\text{Mn}}\text{O}_4\) манган има свој максимални могући оксидациони број (\(+7\)), што значи да је отпустио све валентне електроне и у реакцијама може искључиво примати електроне (смањивати оксидациони број), те је искључиво оксидационо средство.
У \(\text{K}\overset{+7}{\text{Mn}}\text{O}_4\) манган има свој максимални могући оксидациони број (\(+7\)), што значи да је отпустио све валентне електроне и у реакцијама може искључиво примати електроне (смањивати оксидациони број), те је искључиво оксидационо средство.
Задатак 4 (тежак): Помоћу шеме размене електрона одредити стехиометријске коефицијенте у следећој оксидоредукционој једначини:
\[ \text{Cu} + \text{HNO}_3\text{(разбл.)} \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + \text{NO} + \text{H}_2\text{O} \]
1. Оксидациони бројеви: \(\overset{0}{\text{Cu}} + \text{H}\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3 \rightarrow \overset{+2}{\text{Cu}}(\text{NO}_3)_2 + \overset{+2}{\text{N}}\text{O} + \text{H}_2\text{O}\)
2. Шема размене електрона: \[ \begin{array}{ll} \overset{0}{\text{Cu}} \xrightarrow{-2e^-} \overset{+2}{\text{Cu}} & /\cdot 3 \\ \overset{+5}{\text{N}} \xrightarrow{+3e^-} \overset{+2}{\text{N}} & /\cdot 2 \end{array} \] 3. Укупно размењено \(6e^-\). Коефицијент испред \(\text{Cu}\) је 3, а испред \(\text{NO}\) је 2.
4. За со \(3\text{Cu(NO}_3)_2\) потребно је још 6 група \(\text{NO}_3^-\), што са 2 молекула \(\text{NO}\) даје укупно 8 молекула \(\text{HNO}_3\).
5. Изједначавање водоника даје 4 молекула \(\text{H}_2\text{O}\).
Коначна једначина: \[ 3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3 \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO} + 4\text{H}_2\text{O} \]
2. Шема размене електрона: \[ \begin{array}{ll} \overset{0}{\text{Cu}} \xrightarrow{-2e^-} \overset{+2}{\text{Cu}} & /\cdot 3 \\ \overset{+5}{\text{N}} \xrightarrow{+3e^-} \overset{+2}{\text{N}} & /\cdot 2 \end{array} \] 3. Укупно размењено \(6e^-\). Коефицијент испред \(\text{Cu}\) је 3, а испред \(\text{NO}\) је 2.
4. За со \(3\text{Cu(NO}_3)_2\) потребно је још 6 група \(\text{NO}_3^-\), што са 2 молекула \(\text{NO}\) даје укупно 8 молекула \(\text{HNO}_3\).
5. Изједначавање водоника даје 4 молекула \(\text{H}_2\text{O}\).
Коначна једначина: \[ 3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3 \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO} + 4\text{H}_2\text{O} \]
