Κυριότερα οξειδωτικά - αναγωγικά. Αντιδράσεις οξειδοαναγωγής ⚗️

Στην προηγούμενη ενότητα είδαμε τις έννοιες της οξείδωσης και της αναγωγής μέσα από τις μεταβολές του αριθμού οξείδωσης. Τώρα θα γνωρίσουμε ποιες ουσίες προκαλούν αυτές τις μεταβολές (τα οξειδωτικά και τα αναγωγικά), θα μάθουμε τα κυριότερα από αυτά και θα δούμε αναλυτικά πώς συμπληρώνουμε και ισοσταθμίζουμε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής.

Οξειδωτικά και αναγωγικά: οι ορισμοί 🔑

Ας ξεκινήσουμε με ένα οικείο παράδειγμα, την καύση του άνθρακα:

Σε αυτή την αντίδραση το $O_2$ ανάγεται (το οξυγόνο κατεβαίνει από $0$ σε $-2$) και ταυτόχρονα προκαλεί την οξείδωση του άνθρακα. Αντίστροφα, ο $C$ οξειδώνεται (ανεβαίνει από $0$ σε $+4$) και προκαλεί την αναγωγή του οξυγόνου. Λέμε λοιπόν ότι το οξυγόνο είναι η οξειδωτική ουσία και ο άνθρακας η αναγωγική ουσία.

Προσοχή όμως: για να γίνει μια οξείδωση δεν χρειάζεται οπωσδήποτε οξυγόνο. Οξειδωτικό μπορεί να είναι οποιοδήποτε στοιχείο, ένωση ή ιόν περιέχει άτομο διατεθειμένο να κατέβει την κλίμακα των τιμών του αριθμού οξείδωσής του.

Για παράδειγμα, το πυκνό διάλυμα $HNO_3$ χαρακτηρίζεται ως οξειδωτικό, γιατί κατά τη μετατροπή του σε $NO_2$ το άζωτο κατεβαίνει από $+5$ σε $+4$ την κλίμακα του αριθμού οξείδωσης. Η δράση αυτή μπορεί να γραφεί ως ημιαντίδραση ιόντων - ηλεκτρονίων:

ή απλούστερα, δείχνοντας μόνο τη μεταβολή του Α.Ο. του αζώτου:

Για παράδειγμα, το $H_2S$ είναι αναγωγικό, γιατί κατά τη μετατροπή του σε $S$ το θείο ανεβαίνει από $-2$ σε $0$. Η αντίστοιχη ημιαντίδραση ιόντων - ηλεκτρονίων είναι:

ή απλούστερα:

Πίνακας 1.3: Κυριότερα οξειδωτικά και αναγωγικά 📋

Παρακάτω συγκεντρώνονται οι πιο συνηθισμένες οξειδωτικές και αναγωγικές ουσίες, μαζί με το προϊόν στο οποίο μετατρέπονται. Η γνώση αυτών των προϊόντων είναι απαραίτητη για να μπορούμε να συμπληρώνουμε τις αντιδράσεις.

Κυριότερα οξειδωτικά

Στοιχεία. Οξειδωτικά στοιχεία είναι τα αμέταλλα, με την εξής σειρά οξειδωτικής ισχύος (φθίνουσα):

Δηλαδή το $Cl_2$ είναι ισχυρότερο οξειδωτικό από το $Br_2$, γι' αυτό το χλώριο εκτοπίζει το βρώμιο από τα άλατά του:

Συνοπτικά η δράση των αμετάλλων:

Κυριότερα αναγωγικά

Στοιχεία — Μέταλλα. Η σειρά αναγωγικής ισχύος των μετάλλων ως προς το υδρογόνο (φθίνουσα):

Δηλαδή το $K$ είναι ισχυρότερο αναγωγικό (δραστικότερο μέταλλο) από το $Na$, γι' αυτό:

Γενικά για τα μέταλλα ισχύει $M \rightarrow M^{x+} + \dots$

Ορισμένα αμέταλλα (π.χ. $C, S, P, H_2$):

Ταξινόμηση των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής

Για διδακτικούς λόγους οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής ταξινομούνται στις εξής κατηγορίες:

1. Σύνθεση. Δύο ή περισσότερα στοιχεία ενώνονται προς σχηματισμό μιας ένωσης, π.χ. $C + O_2 \rightarrow CO_2$.
2. Αποσύνθεση και διάσπαση. Στην αποσύνθεση μια ένωση διασπάται στα στοιχεία της, π.χ. $2HgO \rightarrow 2Hg + O_2$. Στη διάσπαση παράγονται ενώσεις, π.χ. $2KClO_3 \rightarrow 2KCl + 3O_2$.
   Προσοχή ⚠️

   Δεν είναι όλες οι διασπάσεις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Π.χ. στη διάσπαση $CaCO_3(s) \rightarrow CaO(s) + CO_2(g)$ κανένα στοιχείο δεν μεταβάλλει τον αριθμό οξείδωσής του.

3. Απλή αντικατάσταση. Ένα στοιχείο αντικαθίσταται από κάποιο άλλο, δραστικότερό του. Η σειρά δραστικότητας προκύπτει από τη σειρά ηλεκτροθετικότητας (μέταλλα) και ηλεκτραρνητικότητας (αμέταλλα), δηλαδή από τις σειρές αναγωγικής/οξειδωτικής ισχύος του πίνακα 1.3.
   Κανόνας Α.Ο. στις αντικαταστάσεις μετάλλων

   Στις αντικαταστάσεις, το μέταλλο εμφανίζεται στα προϊόντα με τον μικρότερο αριθμό οξείδωσής του (εξαίρεση ο $Cu$, που δίνει $Cu^{2+}$). Π.χ.:

   $$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2$$
4. Πολύπλοκες αντιδράσεις. Εδώ εντάσσονται όσες δεν υπάγονται στις προηγούμενες κατηγορίες, π.χ.:
   $$3H_2S + 2HNO_3 \rightarrow 3S + 2NO + 4H_2O$$

Χαρακτηριστικές «πολύπλοκες» αντιδράσεις

α. Οξείδωση μετάλλων με οξειδωτικά οξέα. Γενικές μορφές ($M$: μέταλλο, εκτός $Pt$ και $Au$):

Το άλας που προκύπτει φέρει το μέταλλο συνήθως με τον μεγαλύτερο αριθμό οξείδωσής του. Π.χ.:

β. Οξείδωση αμετάλλων με οξειδωτικά οξέα. Τα προϊόντα δίνονται στον πίνακα:

Π.χ.:

Συμπλήρωση και ισοστάθμιση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής ✍️

Οι αντιδράσεις σύνθεσης, αποσύνθεσης/διάσπασης και απλής αντικατάστασης (κατηγορίες 1, 2, 3) ισοσταθμίζονται εύκολα «με το μάτι». Η δυσκολία βρίσκεται στις πολύπλοκες αντιδράσεις. Υπάρχουν δύο μέθοδοι ισοστάθμισης:

1. Μέθοδος ημιαντιδράσεων, που στηρίζεται στις ημιαντιδράσεις ιόντων - ηλεκτρονίων του οξειδωτικού και του αναγωγικού.
2. Μέθοδος μεταβολής του αριθμού οξείδωσης, που στηρίζεται στις μεταβολές του Α.Ο. του οξειδωτικού και του αναγωγικού.

Παρακάτω περιγράφεται η μέθοδος της μεταβολής του αριθμού οξείδωσης, που σε πολλές περιπτώσεις είναι απλούστερη.

Μεθοδολογία βήμα-βήμα 🪜

Λυμένα παραδείγματα

Παράδειγμα 1: Οξείδωση $NH_3$ από $CuO$

α. Από τους πίνακες: η $NH_3$ δίνει $N_2$ και το $CuO$ δίνει $Cu$.

β. Υπολογίζουμε τις μεταβολές των Α.Ο.:

γ. Παίρνουμε 2 άτομα $N$ (όση η μεταβολή του $Cu$) και 3 άτομα $Cu$ (όση η μεταβολή του $N$):

δ. Ισοσταθμίζουμε τα $H$ προσθέτοντας $H_2O$ στα προϊόντα. Έχουμε $6$ άτομα $H$ αριστερά, άρα $3$ μόρια $H_2O$:

Τα άτομα του $O$ ($3$ αριστερά, $3$ δεξιά) βρίσκονται αυτόματα ισοσταθμισμένα. ✅

Παράδειγμα 2: Οξείδωση $C$ από πυκνό $HNO_3$

Ο $C$ οξειδώνεται σε $CO_2$ και το πυκνό $HNO_3$ ανάγεται σε $NO_2$. Μεταβολές: $\overset{0}{\text{C}} \rightarrow \overset{+4}{\text{C}}$ (μεταβολή $4$) και $\overset{+5}{\text{N}} \rightarrow \overset{+4}{\text{N}}$ (μεταβολή $1$). Άρα $1$ άτομο $C$ ανά $4$ άτομα $N$:

Παράδειγμα 3: Οξείδωση $Ag$ από αραιό $HNO_3$

Ο $Ag$ οξειδώνεται σε $AgNO_3$ και το αραιό $HNO_3$ ανάγεται σε $NO$. Μεταβολές: $\overset{0}{\text{Ag}} \rightarrow \overset{+1}{\text{Ag}}$ (μεταβολή $1$) και $\overset{+5}{\text{N}} \rightarrow \overset{+2}{\text{N}}$ (μεταβολή $3$):

Για να σχηματιστούν τα $3$ mol $AgNO_3$ χρειάζονται άλλα 3 mol $HNO_3$ (που δρουν ως οξύ). Συνολικά:

Παράδειγμα 4: Οξείδωση $CO$ από $KMnO_4$ παρουσία $H_2SO_4$

Το $CO$ οξειδώνεται σε $CO_2$ και το $\overset{+7}{\text{Mn}}$ ανάγεται σε $Mn^{2+}$, δηλαδή σε $MnSO_4$. Το $K^+$ δεν συμμετέχει στην οξειδοαναγωγή. Μεταβολές: $C$: $2$ (από $+2$ σε $+4$), $Mn$: $5$ (από $+7$ σε $+2$):

Παράδειγμα 5: Οξείδωση $FeCl_2$ από $K_2Cr_2O_7$ παρουσία $HCl$

Ο $FeCl_2$ οξειδώνεται σε $FeCl_3$ και το $\overset{+6}{\text{Cr}}$ του $K_2Cr_2O_7$ ανάγεται σε $Cr^{3+}$, δηλαδή $CrCl_3$. Μεταβολή για $1$ άτομο $Cr$: $3$· για $1$ άτομο $Fe$: $1$. Όμως ο τύπος $K_2Cr_2O_7$ μας υποχρεώνει να πάρουμε 2 άτομα $Cr$, άρα και 6 άτομα $Fe$:

Παράδειγμα 6: Οξείδωση $SO_2$ από πυκνό $HNO_3$

Το $SO_2$ εδώ, λόγω της παρουσίας του ισχυρού οξειδωτικού $HNO_3$, δρα ως αναγωγικό και δίνει $H_2SO_4$ ($SO_2 \rightarrow H_2SO_4$). Το $HNO_3$ ανάγεται σε $NO_2$. Μεταβολές: $S$: $2$ (από $+4$ σε $+6$), $N$: $1$ (από $+5$ σε $+4$):

Παράδειγμα 7: Οξείδωση $H_2S$ από $SO_2$

Το $H_2S$ δρα ως αναγωγικό ($\overset{-2}{\text{S}} \rightarrow \overset{0}{\text{S}}$, μεταβολή $2$) και το $SO_2$ ως οξειδωτικό ($\overset{+4}{\text{S}} \rightarrow \overset{0}{\text{S}}$, μεταβολή $4$). Άρα $2$ μόρια $H_2S$ ανά $1$ μόριο $SO_2$:

Παράδειγμα 8: Οξείδωση $H_2O_2$ από $KMnO_4$ παρουσία $H_2SO_4$

Παρουσία του οξειδωτικού $KMnO_4$, το $H_2O_2$ δρα ως αναγωγικό και το οξυγόνο του οξειδώνεται: $H_2\overset{-1}{O}_2 \rightarrow \overset{0}{O}_2 + \dots$ (μεταβολή $2$ ανά μόριο, αφού έχει $2$ άτομα $O$). Το $Mn$ ανάγεται από $+7$ σε $+2$ (μεταβολή $5$):

Γενική παρατήρηση: το «τέλος» της αποστήθισης 🎓

Με τη βοήθεια των κανονικών δυναμικών οξείδωσης-αναγωγής ($E^o$), που διδάσκονται αργότερα στη Γ' Λυκείου, μπορεί κανείς να αναγνωρίσει σε μια αντίδραση ποιο σώμα είναι οξειδωτικό και ποιο αναγωγικό. Έτσι παύει η ανάγκη απομνημόνευσης των πινάκων 1.3, οι οποίοι όμως επί του παρόντος αποτελούν τη βάση για τη συμπλήρωση των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής.

Εφαρμογές στη σειρά δραστικότητας

Παράδειγμα 1.2: Αποθήκευση διαλυμάτων σε μεταλλικά δοχεία

Πρόβλημα: Έχουμε δύο δοχεία, ένα από χαλκό και ένα από αλουμίνιο. Σε ποιο θα αποθηκεύαμε διάλυμα $FeSO_4$ και σε ποιο διάλυμα $Mg(NO_3)_2$;

Απάντηση: Αν αποθηκεύσουμε $FeSO_4$ στο αλουμινένιο δοχείο, συμβαίνει αντίδραση, γιατί το $Al$ είναι δραστικότερο του $Fe$:

Αντίθετα, στο χάλκινο δοχείο καμία αντίδραση δεν γίνεται, αφού ο $Cu$ είναι λιγότερο δραστικός από τον $Fe$. Το διάλυμα $Mg(NO_3)_2$ μπορεί να αποθηκευτεί σε οποιοδήποτε δοχείο, αφού τόσο το $Al$ όσο και ο $Cu$ είναι λιγότερο δραστικά από το $Mg$.

Παράδειγμα 1.3: Στοιχειομετρικός υπολογισμός όγκου αερίου

Πρόβλημα: Πόσα λίτρα $Cl_2$ σε STP εκλύονται κατά την αναγωγή $17{,}4\ g$ $MnO_2$ με περίσσεια $HCl$;

$M_r(MnO_2) = 55 + 32 = 87$, άρα $n_{MnO_2} = \dfrac{17{,}4}{87} = 0{,}2\ mol$. Από τη στοιχειομετρία $1:1$ έχουμε $n_{Cl_2} = 0{,}2\ mol$, οπότε:

Παράδειγμα 1.4: Εύρεση σχετικής ατομικής μάζας

Πρόβλημα: $1{,}3\ g$ μετάλλου $M$ (δραστικότερο του $H_2$, με Α.Ο. $+2$ στις ενώσεις του) διαλύεται σε περίσσεια αραιού $H_2SO_4$ και ελευθερώνονται $448\ mL$ $H_2$ σε STP. Ποια είναι η $A_r$ του $M$;

$n_{H_2} = \dfrac{0{,}448}{22{,}4} = 0{,}02\ mol$. Από τη στοιχειομετρία $1:1$, $n_M = 0{,}02\ mol$. Επομένως:

Το μέταλλο είναι ο ψευδάργυρος ($Zn$).

📌 Για τα σχετικά πειραματικά στιγμιότυπα (οξείδωση μετάλλων/αμετάλλων με οξειδωτικά οξέα, χρωματικές αλλαγές $KMnO_4$ και $K_2Cr_2O_7$, δράση $SO_2$ και $H_2O_2$) δες τα σχετικά σχήματα στην ενότητα 1.2 του σχολικού βιβλίου.