Utlenianie i redukcja

Czasami chcemy wiedzieć, czy dowolne dwie substancje będą ze sobą reagować, czy nie. Czasami chcemy również wiedzieć, czy dana substancja przyjmie elektrony, czy je odda. Wiedzy ta jest przydatna, gdy chcemy na przykład zbudować baterię. W przypadku pierwiastków, które zazwyczaj tworzą jony działa to w dość prosty sposób: metale chcą oddać elektrony, niemetale chcą przyjąć elektrony. Dlaczego tak się dzieje?

Spójrzmy na elektrony walencyjne atomów. Oto dwa pierwiastki. Nazwijmy je X i Y. X jest metalem. Na jego powłoce walencyjnej znajduje się niewiele elektronów.

Y jest niemetalem. Na jego powłoce walencyjnej jest z kolei dużo elektronów, ale Y potrzebuje ich jeszcze więcej, aby zapełnić całą swoją powłokę walencyjną. Gdy X i Y reagują ze sobą, metal X oddaje swoje dwa elektrony. Skoro każdy atom Y potrzebuje tylko jednego elektronu, to w takim razie potrzeba dwóch takich atomów. Nasze dwa pierwiastki uworzyły związek chemiczny XY2.

Wartość ładunku elektrycznego, jaki dany pierwiastek utracił lub zyskał tworząc związek chemiczny nazywana jest stopniem utlenienia tego pierwiastka. X utracił 2 elektrony. Oznacza to, że jego ładunek elektryczny wynosi plus 2. Więc jego stopień utlenienia to plus 2. Y zyskał 1 elektron.

Więc jego ładunek elektryczny wynosi minus 1. Jego stopień utlenienia wynosi minus 1. Jeśli stopień utlenienia pierwiastka X rośnie, to mówimy, że pierwiastek X utlenił się. Pojęcie to związane jest z faktem że stopień utlenienia większości pierwiastków, które reagują z tlenem - rośnie. Ale tego samego pojęcia używa się także wyjaśniając reakcje z pierwiastkami innymi niż tlen.

Stopień utlenienia pierwiastka Y zmalał. Pierwiastek uległ redukcji. Reakcja chemiczna, w której stopnie utlenienia zmieniają się nazywana jest reakcją redoks. W każdej reakcji redoks łączna różnica w stopniach utlenienia nie może ulec zmianie. Przy każdym wzroście stopnia utlenienia musi pojawić się i spadek.

Czasami, mieszając dwie substancje, które chcą pozbyć się elektronów, lub też obie chcą je pozyskać, nie wydarzy się nic. Skąd mamy zatem wiedzieć, które substancje utlenią się, a które ulegną redukcji? Robimy to sprawdzając stopień utlenienia danego pierwiastka. Gdy cząsteczka składa się tylko z jednego pierwiastka, na przykład N-dwa czy O-trzy, i nie tworzy związku chemicznego z innym pierwiastkiem, to stopień utlenienia jej atomów zawsze wynosi zero. Jeśli atomy utworzyły jony, to stopień utlenienia jonów zawsze równy jest ich ładunkowi elektrycznemu.

Oznacza to, że kiedy pierwiastek taki jak azot staje się jonem o ładunku elektrycznym minus trzy... ... to każdy z atomów azotu zyskuje trzy elektrony. Stopień utlenienia każdego z jego atomów zmienił się z zera na minus trzy... więc azot uległ redukcji. Oto kolejny przykład.

Jon miedzi może mieć ładunek elektryczny równy plus jeden. I tutaj z jonem mogą wydarzyć się dwie rzeczy: albo stopień jego utlenienia urośnie o jeden, jon utleni się i powstanie miedź „dwa plus". Albo stopień jego utlenienia zmaleje o jeden, i jon ulegnie redukcji i stanie się atomem, gdzie stopień jego utlenienia wyniesie zero. Jeśli miedź „dwa plus" wejdzie w reakcję z inna substancją, która będzie chciała ukraść jego elektrony, miedź utleni się. Jeśli jednak wejdzie w reakcję z substancją, która odda swoje elektrony, miedź „dwa plus" ulegnie redukcji.

Ale po co mamy to wszystko wiedzieć? Niektóre reakcje chemiczne będą łatwiej zachodzić, gdy substancja łatwo ulegająca utlenianiu zetknie się z substancją, która łatwo ulega redukcji. Wiedza na temat tego czy dana substancja chce zyskać elektrony, czy stracić je, jest bardzo przydatna. Dlatego musimy znać stopnień utlenienia danego pierwiastka. Jest on dla nas wskazówką tego, ile elektronów dany pierwiastek zyskał lub utracił wchodząc w reakcję z innymi pierwiastkami.