Οξείδωση και αναγωγή
Οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής ανακατανέμουν ηλεκτρόνια. Οξείδωση είναι απώλεια ηλεκτρονίων ή αύξηση αριθμού οξείδωσης, ενώ αναγωγή είναι πρόσληψη ηλεκτρονίων ή μείωση αριθμού οξείδωσης. Τα δύο συμβαίνουν πάντα μαζί, επειδή τα ηλεκτρόνια διατηρούνται. Οι αριθμοί οξείδωσης επιτρέπουν να αναγνωρίζουμε οξειδοαναγωγή ακόμη και όταν κανένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο δεν εμφανίζεται στη συνολική εξίσωση.
Οπτικό μοντέλο
Διαδραστικό μοντέλο
Οξειδωτικό και αναγωγικό μέσο
Το αναγωγικό μέσο δίνει ηλεκτρόνια και το ίδιο οξειδώνεται. Το οξειδωτικό μέσο δέχεται ηλεκτρόνια και το ίδιο ανάγεται. Στο Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, ο Zn είναι αναγωγικό μέσο και το Cu²⁺ οξειδωτικό. Το όνομα περιγράφει τι προκαλεί το είδος στον εταίρο του και όχι τι συμβαίνει στο ίδιο, γι’ αυτό αυτή η ορολογία χρειάζεται προσοχή.
Αριθμοί οξείδωσης ως λογιστική ηλεκτρονίων
Στην CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, ο C αλλάζει από −4 σε +4 και οξειδώνεται, ενώ το O από 0 σε −2 και ανάγεται. Οι αριθμοί οξείδωσης είναι συμβατική λογιστική και δεν ισοδυναμούν πάντα με πραγματικά τοπικά φορτία, όμως εντοπίζουν με αξιοπιστία ποια άτομα χάνουν ή κερδίζουν ηλεκτρονιακή πυκνότητα σε καύση, διάβρωση και οργανικές μετατροπές.
Εξισορρόπηση με ημιαντιδράσεις σε όξινο μέσο
Για MnO₄⁻ + Fe²⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺ χωρίζουμε σε ημιαντιδράσεις. Η αναγωγή είναι MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O και η οξείδωση Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻. Πολλαπλασιάζουμε τη δεύτερη επί 5, προσθέτουμε και ακυρώνουμε τα 5e⁻. Ο τελικός έλεγχος είναι μηχανικός: ίδιος αριθμός κάθε στοιχείου και ίδιο συνολικό φορτίο στις δύο πλευρές.
Βασικό μέσο, δυσαναλογία και συναναλογία
Σε βασικό μέσο μπορούμε πρώτα να εξισορροπήσουμε σαν να ήταν όξινο και μετά να προσθέσουμε OH⁻ και στις δύο πλευρές ώστε κάθε H⁺ να γίνει H₂O, ακυρώνοντας πλεονάζοντα νερά. Στη δυσαναλογία το ίδιο αρχικό είδος οξειδώνεται και ανάγεται ταυτόχρονα, όπως 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ όπου το O από −1 γίνεται −2 και 0. Η αντίστροφη λογική, δύο καταστάσεις προς ενδιάμεση, λέγεται συναναλογία.
Από τη χημική εξίσωση στην ηλεκτροχημεία
Σε ομογενή αντίδραση τα ηλεκτρόνια μπορεί να μη φαίνονται ποτέ ελεύθερα. Σε ηλεκτροχημικό στοιχείο, όμως, οξείδωση και αναγωγή χωρίζονται χωρικά και τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινηθούν μέσα από εξωτερικό κύκλωμα. Η ίδια διατήρηση φορτίου συνδέει έτσι τη στοιχειομετρική εξισορρόπηση με το ηλεκτρικό ρεύμα, το δυναμικό κυψέλης και τη μεταβολή Gibbs.
Ασκήσεις
Zn/Cu²⁺
Στην Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, ποιο είδος οξειδώνεται και ποιο ανάγεται;
Λύση: Ο Zn χάνει 2e⁻ και οξειδώνεται. Το Cu²⁺ προσλαμβάνει 2e⁻ και ανάγεται.
Μεταβολή αριθμού οξείδωσης
Ο C στο CH₄ πηγαίνει από −4 σε +4 στο CO₂. Πόσα ηλεκτρόνια αντιστοιχούν στη μεταβολή ανά άτομο C;
Λύση: Αύξηση κατά 8 μονάδες, άρα λογιστικά απώλεια 8e⁻ ανά C.
Υπερμαγγανικό σε οξύ
Πόσα ηλεκτρόνια απαιτεί η αναγωγή MnO₄⁻ σε Mn²⁺ σε όξινο μέσο;
Λύση: 5e⁻: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O.