Hapetus ja pelkistys
Redox-reaktiossa hapetus ja pelkistys tapahtuvat aina yhdessä: yksi laji menettää elektronitiheyttä tai sen hapetusluku kasvaa, toinen vastaanottaa ja sen hapetusluku pienenee. Hapetusluvut ovat muodollista kirjanpitoa, mutta ne helpottavat elektronitasapainon seuraamista.
Hapetusluvut
Neutraalissa yhdisteessä hapetuslukujen summa on nolla ja ionissa ionin varaus. Happi on usein −2 ja vety +1, mutta peroksideissa, superoksideissa ja metallihydrideissä on poikkeuksia.
Hapetus
Hapetuksessa hapetusluku kasvaa. Historiallinen yhteys happeen on vain yksi tapaus; esimerkiksi Fe²⁺→Fe³⁺+e⁻ on hapetus ilman happiatomia.
Pelkistys
Pelkistyksessä hapetusluku pienenee ja laji vastaanottaa elektroneja muodollisessa kuvauksessa. Hapetin pelkistyy itse ja hapettaa toisen aineen; pelkistin hapettuu itse.
Puolireaktiot
Redox voidaan jakaa hapetus- ja pelkistyspuolireaktioon. Elektronit tasataan ja yhdistetään niin, ettei lopulliseen kokonaisreaktioon jää vapaita elektroneja.
Happamassa liuoksessa
Puolireaktiomenetelmässä O tasataan H₂O:lla, H H⁺:lla ja varaus elektroneilla. Emäksisessä liuoksessa voidaan lopuksi neutraloida H⁺ OH⁻:lla ja yksinkertaistaa vesi.
Kaikki reaktiot eivät ole redoxia
Saostuminen, monet happo-emäsreaktiot ja ligandinvaihdot voivat tapahtua ilman hapetuslukujen muutosta. Elektronien “siirtyminen” ei ole jokaisen kemiallisen muutoksen universaali selitys.
Energia ja sähkökemia
Galvaanisessa kennossa spontaani redox erotetaan kahdeksi elektrodiprosessiksi, jolloin elektronivirta voidaan ohjata ulkoiseen piiriin. Kemiallinen vapaa energia muuttuu sähköiseksi työksi.
Disproportionaatio
Samassa reaktiossa sama lähtöaine voi sekä hapettua että pelkistyä eri tuotteiksi. Tätä kutsutaan disproportionaatioksi. Se osoittaa, että hapetin ja pelkistin eivät aina ole kaksi eri alkuperäistä ainetta.
Hapetusluku ei ole todellinen varaus
Kovalenttisessa molekyylissä hapetusluku voi olla kokonaisluku kuten +4, vaikka elektronitiheys ei ole siirtynyt kokonaan yhdelle atomille. Osittaisvaraukset ja spektroskooppinen elektronirakenne ovat eri käsitteitä.
Elektronitase
Kun puolireaktiot yhdistetään, luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien lukumäärän on oltava sama. Tämä on käytännöllinen tapa varmistaa sekä varauksen että aineen säilyminen monimutkaisissa redox-yhtälöissä.
Redox ja sähkövirta
Elektrodilla elektroninsiirto tapahtuu rajapinnassa. Ulkoisessa metallijohteessa virta kulkee elektroneina, elektrolyytissä ionien liikkeenä. Kokonaisvaraus säilyy, vaikka varauksenkuljettajan fyysinen luonne muuttuu järjestelmän osasta toiseen.
Harjoitus
Mikä laji hapettuu reaktiossa Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu?
Ratkaisu
Zn: sen hapetusluku kasvaa 0:sta +2:een ja se luovuttaa kaksi elektronia.