Најважније из лекције
Оксидациона средства: Примају електроне (смањују оксидациони број). Максимално оксидационо стање значи искључиво оксидационо дејство (нпр. \( \text{K}\overset{+7}{\text{Mn}}\text{O}_4 \), \( \text{H}\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3 \)). Међу халогенима, оксидациона моћ опада: \( \text{F}_2 > \text{Cl}_2 > \text{Br}_2 > \text{I}_2 \).
Редукциона средства: Отпуштају електроне (повећавају оксидациони број). Минимално оксидационо стање значи искључиво редукционо дејство (нпр. метали \( \text{M}^0 \), \( \text{H}_2\overset{-2}{\text{S}} \)).
Напонски низ метала: Метали лево од \( \text{H}_2 \) истискују водоник из разблажених не-оксидујућих киселина (\( \text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2 \)), док метали десно од \( \text{H}_2 \) (\( \text{Cu}, \text{Ag}, \text{Au} \)) не истискују водоник већ реагују само са оксидујућим киселинама (\( \text{HNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4\text{(конц.)} \)).
Реакције истискивања: Елемент веће редукционе/оксидационе моћи увек истискује слабији елемент из раствора његових соли.
Редукциона средства: Отпуштају електроне (повећавају оксидациони број). Минимално оксидационо стање значи искључиво редукционо дејство (нпр. метали \( \text{M}^0 \), \( \text{H}_2\overset{-2}{\text{S}} \)).
Напонски низ метала: Метали лево од \( \text{H}_2 \) истискују водоник из разблажених не-оксидујућих киселина (\( \text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2 \)), док метали десно од \( \text{H}_2 \) (\( \text{Cu}, \text{Ag}, \text{Au} \)) не истискују водоник већ реагују само са оксидујућим киселинама (\( \text{HNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4\text{(конц.)} \)).
Реакције истискивања: Елемент веће редукционе/оксидационе моћи увек истискује слабији елемент из раствора његових соли.
Оксидационо средство (оксиданс) је супстанца чије честице примају електроне. При томе се оксидациони број тих честица смањује, односно оне се редукују.
Редукционо средство (редуктор) је супстанца чије честице отпуштају електроне. При томе се оксидациони број тих честица повећава, односно оне се оксидују.
Редокс-пар (оксидоредукциони пар) чине оксидовани и редуковани облик исте хемијске врсте. Записује се тако што се прво наводи оксидовани облик (више оксидационо стање), а затим редуковани облик (ниже оксидационо стање):
\[ \text{оксидовани облик} \, / \, \text{редуковани облик} \]
- \( \text{F}_2 + 2\text{e}^- \rightleftharpoons 2\text{F}^- \quad \rightarrow \quad \text{Редокс-пар: } \text{F}_2/\text{F}^- \) (флуор је оксидационо средство)
- \( \text{Zn}^{2+} + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Zn} \quad \rightarrow \quad \text{Редокс-пар: } \text{Zn}^{2+}/\text{Zn} \) (елементарни цинк је редукционо средство)
За полуреакцију \( \text{Fe}^{3+} + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+} \), одредити која је врста оксидовани, а која редуковани облик и написати ознаку редокс-пара.
Јон \( \text{Fe}^{3+} \) има виши оксидациони број (+3) и представља оксидовани облик, док јон \( \text{Fe}^{2+} \) има нижи оксидациони број (+2) и представља редуковани облик.
Ознака редокс-пара је: \( \text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+} \).
Ознака редокс-пара је: \( \text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+} \).
Могуће улоге супстанце у редокс реакцијама директно зависе од тренутног и граничних оксидационих бројева њених атома:
- Искључиво оксидациона средства: Атом елемента се налази у свом максималном оксидационом броју (не може даље отпуштати електроне, може их само примати). Пример: \( \text{K}\overset{+7}{\text{Mn}}\text{O}_4 \), \( \text{H}_2\overset{+6}{\text{S}}\text{O}_4 \), \( \text{H}\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3 \).
- Искључиво редукциона средства: Атом елемента се налази у свом минималном оксидационом броју (не може даље примати електроне, може их само отпуштати). Пример: метали у елементарном стању (\( \overset{0}{\text{Zn}} \), \( \overset{0}{\text{Fe}} \)), \( \text{H}_2\overset{-2}{\text{S}} \), \( \overset{-3}{\text{N}}\text{H}_3 \).
- И оксидациона и редукциона средства: Атом елемента има средњи (интермедијарни) оксидациони број, те у зависности од реакционог партнера може и примати и отпуштати електроне. Пример: \( \overset{+4}{\text{S}}\text{O}_2 \), \( \text{H}\overset{+3}{\text{N}}\text{O}_2 \), \( \text{H}_2\overset{-1}{\text{O}}_2 \), \( \overset{+2}{\text{Fe}}^{2+} \).
| Елемент / група | Опсег оксидационих бројева | Елемент / група | Опсег оксидационих бројева |
|---|---|---|---|
| Водоник (\(\text{H}\)) | \(-1, 0, +1\) | Алкални метали (1. група) | \(0, +1\) |
| Кисеоник (\(\text{O}\)) | \(-2, -1, -1/2, 0\) | Земноалкални метали (2. група) | \(0, +2\) |
| Флуор (\(\text{F}\)) | \(-1, 0\) | Алуминијум (\(\text{Al}\)) | \(0, +3\) |
| \(\text{Cl}, \text{Br}, \text{I}\) | од \(-1\) до \(+7\) | Гвожђе (\(\text{Fe}\)) | \(0, +2, +3\) |
| Сумпор (\(\text{S}\)) | од \(-2\) до \(+6\) | Хром (\(\text{Cr}\)) | од \(0\) до \(+6\) |
| Азот (\(\text{N}\)), Фосфор (\(\text{P}\)) | од \(-3\) до \(+5\) | Манган (\(\text{Mn}\)) | од \(0\) до \(+7\) |
Одредити да ли се супстанца \( \text{SO}_2 \) може понашати као оксидационо средство, редукционо средство или и једно и друго.
У једињењу \( \text{SO}_2 \), оксидациони број сумпора је \(+4\). Пошто сумпор може имати оксидационе бројеве у распону од \(-2\) до \(+6\), оксидациони број \(+4\) је средња вредност. Због тога се \( \text{SO}_2 \) може понашати и као оксидационо и као редукционо средство.
Добра оксидациона средства су елементарни неметали високе електронегативности (\(\text{F}_2, \text{O}_3, \text{Cl}_2, \text{O}_2, \text{Br}_2, \text{I}_2\)) и једињења у којима су елементи у високим оксидационим стањима (\(\text{KMnO}_4, \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7, \text{HNO}_3, \text{KClO}_3\)).
Оксидациона моћ халогених елемената: Опада са порастом атомског броја (прати опадање електронегативности):
\[ \text{I}_2 < \text{Br}_2 < \text{Cl}_2 < \text{F}_2 \]
Јаче оксидационо средство (елемент лево у низу по јачини) истискује слабије из његових једињења (халогенида):
\[ 2\text{KI} + \text{Cl}_2 \longrightarrow 2\text{KCl} + \text{I}_2 \]
\[ 2\text{KBr} + \text{Cl}_2 \longrightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2 \]
Супротна реакција није могућа: \( \text{KBr} + \text{I}_2 \longrightarrow \text{нема реакције} \).
Оксидациона моћ појединих средстава зависи од киселости средине. Калијум-перманганат (\(\text{KMnO}_4\)) испољава најјачу оксидациону моћ у киселој средини где прима 5 електрона:
- У киселој средини (\(\text{H}^+\)): \( \overset{+7}{\text{Mn}}\text{O}_4^- + 5\text{e}^- + 8\text{H}^+ \longrightarrow \overset{+2}{\text{Mn}}^{2+} + 4\text{H}_2\text{O} \) (раствор постаје бледоружичаст/безбојан).
- У базној средини (\(\text{OH}^-\)): \( \overset{+7}{\text{Mn}}\text{O}_4^- + \text{e}^- \longrightarrow \overset{+6}{\text{Mn}}\text{O}_4^{2-} \) (настаје манганат зелене боје).
Да ли је могућа следећа хемијска реакција: \( 2\text{NaBr} + \text{I}_2 \longrightarrow 2\text{NaI} + \text{Br}_2 \)? Образложити одговор.
Реакција није могућа. Јод (\(\text{I}_2\)) је слабије оксидационо средство од брома (\(\text{Br}_2\)) и не може га истиснути из бромида.
Добра редукциона средства су метали у елементарном стању, водоник (\(\text{H}_2\)), угљеник (\(\text{C}\)), угљеник(II)-оксид (\(\text{CO}\)), водоник-сулфид (\(\text{H}_2\text{S}\)) и амонијак (\(\text{NH}_3\)).
Напонски низ метала (Волтин низ): Представља поређане метале и водоник према опадању њихове редукционе моћи:
\[ \text{K} \quad \text{Na} \quad \text{Ca} \quad \text{Mg} \quad \text{Al} \quad \text{Zn} \quad \text{Fe} \quad \text{Sn} \quad \mathbf{H_2} \quad \text{Cu} \quad \text{Hg} \quad \text{Ag} \quad \text{Au} \]
\( \xleftarrow{\hspace{30pt}} \text{Расте редукциона моћ} \hspace{50pt} \xrightarrow{\hspace{30pt}} \text{Опада редукциона моћ} \)
1. Истискивање метала из раствора соли: Сваки метал који се налази лево у напонском низу може истиснути метал који се налази десно од њега:
\[ \text{Fe} + \text{CuSO}_4 \longrightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu} \]
2. Реакција са разблаженим неоксидујућим киселинама (\(\text{HCl}, \text{H}_2\text{SO}_4\)): Метали који се налазе лево од водоника истискују водоник из киселина:
\[ \text{Zn} + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow \]
Метали десно од водоника (\(\text{Cu}, \text{Ag}, \text{Au}\)) не реагују уз издвајање водоника:
\[ \text{Cu} + \text{HCl} \longrightarrow \text{нема реакције} \]
Киселине са оксидационим дејством (нпр. концентрована и разблажена \( \text{HNO}_3 \), концентрована \( \text{H}_2\text{SO}_4 \)) растварају и метале десно од водоника (попут \( \text{Cu} \)), али се при томе не издваја водоник, већ настају оксиди азота односно сумпора:
\[ \text{Cu} + 4\text{HNO}_3\text{(конц.)} \longrightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \]
\[ 3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3\text{(разбл.)} \longrightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}\uparrow + 4\text{H}_2\text{O} \]
Да ли алуминијум реагује са воденим раствором цинк-хлорида (\( \text{ZnCl}_2 \))? Ако реагује, написати молекулску једначину реакције.
Да, реагује, јер се алуминијум (\(\text{Al}\)) у напонском низу налази лево од цинка (\(\text{Zn}\)) и представља јаче редукционо средство:
\[ 2\text{Al} + 3\text{ZnCl}_2 \longrightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{Zn} \]
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Одредити оксидациони број угљеника у следећим једињењима и навести која од њих могу бити искључиво оксидациона средства, искључиво редукциона средства или и једно и друго:
а) \( \text{CH}_4 \); б) \( \text{CO} \); в) \( \text{CO}_2 \).
а) \( \text{CH}_4 \); б) \( \text{CO} \); в) \( \text{CO}_2 \).
Опсег оксидационих бројева за угљеник је од \(-4\) до \(+4\):
а) \( \overset{-4}{\text{C}}\text{H}_4 \) – оксидациони број је \(-4\) (минимални), може бити само редукционо средство.
б) \( \overset{+2}{\text{C}}\text{O} \) – оксидациони број је \(+2\) (средњи), може бити и оксидационо и редукционо средство.
в) \( \overset{+4}{\text{C}}\text{O}_2 \) – оксидациони број је \(+4\) (максимални), може бити само оксидационо средство.
а) \( \overset{-4}{\text{C}}\text{H}_4 \) – оксидациони број је \(-4\) (минимални), може бити само редукционо средство.
б) \( \overset{+2}{\text{C}}\text{O} \) – оксидациони број је \(+2\) (средњи), може бити и оксидационо и редукционо средство.
в) \( \overset{+4}{\text{C}}\text{O}_2 \) – оксидациони број је \(+4\) (максимални), може бити само оксидационо средство.
Задатак 2 (средњи): На основу положаја у напонском низу метала и релативне јачине халогена, предвиди које су од наведених реакција могуће и доврши њихове једначине:
а) \( \text{Ag} + \text{CuSO}_4 \longrightarrow \)
б) \( \text{Mg} + 2\text{HCl} \longrightarrow \)
в) \( 2\text{KBr} + \text{I}_2 \longrightarrow \)
г) \( 2\text{KI} + \text{Br}_2 \longrightarrow \)
а) \( \text{Ag} + \text{CuSO}_4 \longrightarrow \)
б) \( \text{Mg} + 2\text{HCl} \longrightarrow \)
в) \( 2\text{KBr} + \text{I}_2 \longrightarrow \)
г) \( 2\text{KI} + \text{Br}_2 \longrightarrow \)
а) \( \text{Ag} + \text{CuSO}_4 \longrightarrow \text{нема реакције} \) (сребро је слабије редукционо средство од бакра).
б) \( \text{Mg} + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2\uparrow \) (магнезијум је лево од водоника и истискује га).
в) \( 2\text{KBr} + \text{I}_2 \longrightarrow \text{нема реакције} \) (јод је слабији оксиданс од брома).
г) \( 2\text{KI} + \text{Br}_2 \longrightarrow 2\text{KBr} + \text{I}_2 \) (бром је јачи оксиданс од јода и истискује га из соли).
б) \( \text{Mg} + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2\uparrow \) (магнезијум је лево од водоника и истискује га).
в) \( 2\text{KBr} + \text{I}_2 \longrightarrow \text{нема реакције} \) (јод је слабији оксиданс од брома).
г) \( 2\text{KI} + \text{Br}_2 \longrightarrow 2\text{KBr} + \text{I}_2 \) (бром је јачи оксиданс од јода и истискује га из соли).
Задатак 3 (средњи): Дат је скуп супстанци: \( \text{HNO}_2, \text{NH}_3, \text{HNO}_3, \text{H}_2\text{O}_2, \text{Fe} \). Издвојити оне супстанце које у редокс реакцијама могу деловати и као оксидациона и као редукциона средства и образложити зашто.
Супстанце које имају и оксидациона и редукциона својства садрже атоме у средњим оксидационим стањима:
- \( \text{H}\overset{+3}{\text{N}}\text{O}_2 \) – азот има оксидациони број \(+3\) (опсег од \(-3\) до \(+5\)).
- \( \text{H}_2\overset{-1}{\text{O}}_2 \) – кисеоник има оксидациони број \(-1\) (опсег од \(-2\) до \(0\)).
Задатак 4 (тежак): Зашто бакар реагује са концентрованом азотном киселином (\(\text{HNO}_3\)), а не реагује са хлороводоничном киселином (\(\text{HCl}\))? Написати једначину реакције бакра са концентрованом азотном киселином и означити промену оксидационих бројева.
Образложење:
1. Бакар се у напонском низу налази десно од водоника, што значи да нема довољну редукциону моћ да редукује \( \text{H}^+ \) јоне из \( \text{HCl} \) до елементарног гасовитог водоника (\( \text{H}_2 \)).
2. Азотна киселина (\( \text{HNO}_3 \)) је киселина са јаким оксидационим дејством због присуства нитратног јона са азотом у оксидационом броју \(+5\). Оксидацију бакра овде врши атом азота (\(\text{N}^{+5}\)), а не водоников јон.
Једначина реакције: \[ \overset{0}{\text{Cu}} + 4\text{H}\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3\text{(конц.)} \longrightarrow \overset{+2}{\text{Cu}}(\text{NO}_3)_2 + 2\overset{+4}{\text{N}}\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \] Бакар се оксидује (\( \text{Cu}^0 \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \)), а део азота се редукује (\( \text{N}^{+5} + \text{e}^- \rightarrow \text{N}^{+4} \)).
1. Бакар се у напонском низу налази десно од водоника, што значи да нема довољну редукциону моћ да редукује \( \text{H}^+ \) јоне из \( \text{HCl} \) до елементарног гасовитог водоника (\( \text{H}_2 \)).
2. Азотна киселина (\( \text{HNO}_3 \)) је киселина са јаким оксидационим дејством због присуства нитратног јона са азотом у оксидационом броју \(+5\). Оксидацију бакра овде врши атом азота (\(\text{N}^{+5}\)), а не водоников јон.
Једначина реакције: \[ \overset{0}{\text{Cu}} + 4\text{H}\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3\text{(конц.)} \longrightarrow \overset{+2}{\text{Cu}}(\text{NO}_3)_2 + 2\overset{+4}{\text{N}}\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \] Бакар се оксидује (\( \text{Cu}^0 \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \)), а део азота се редукује (\( \text{N}^{+5} + \text{e}^- \rightarrow \text{N}^{+4} \)).
