Transcript: Reacţii redox. Oxidanţi şi reducători.

Viața noastră de zi cu zi e dependentă de reacțiile de oxido-reducere.
La fel și industria și progresul tehnologic în telecomunicație sau transport.
Atunci când călătorim, deplasarea noastră se datorează reacțiilor de oxido-reducere,
ce au loc odată cu arderea combustibilului.
Electronii se transferă de la o specie la alta, iar în timpul acestui proces,
roțile vehiculului nostru se vârt și noi mergem tot mai departe.
Reacțiile din bateriile telefonelor, laptopurilor sau tabletelor noastre
sau din bateriile oricăror aparate electronice portabile
sunt tot reacții de oxido-reducere.
Coroziunea metalelor este tot rezultatul unor astfel de reacții.
Metabolismul nostru este condus de reacții de oxido-reducere.
Deci, gândurile noastre și activitățile noastre de zi cu zi
au loc numai datorită migrării electronilor de la mâncarea pe care o ingerăm
până la oxigenul pe care îl respirăm.
Cred că deja v-ați dat seama că reacțiile despre care urmează să vorbim
implică transferul uneia dintre cele mai mici particule fundamentale,
și anume electronul.
Am discutat capitolul trecut despre una dintre cele mai importante categorii de reacții chimice,
și anume reacțiile dintre acizi și baze
care au loc prin transferul unei alte particule fundamentale, adică protonul.
Deci, principiul transferului unei particule de la o substanță la alta ne este familiar.
Pentru început, putem să ne gândim că la baza reacțiilor de oxidare și reducere
stă ideea principală a multor sporturi.
În fotbal, basket, baseball sau biliard,
principiul este de a face un obiect, adică mingea,
să se miște într-o anume locație.
Așadar, atunci când chimiștii amestecă, agită sau fierb câte ceva,
tot ceea ce fac ei este să încurajeze anumite particule fundamentale,
în acest caz electronii, iar în cazul capitolului trecut, protonii,
să migreze de acolo de unde se găsesc,
acolo unde vor chimiști ca aceste particule să ajung.
Industria face același lucru, doar că la o scală mult mai mare.
Inițial, procesul de oxidare a fost definit ca fiind reacția oxigenului
cu un element prin care elementul se transformă în oxid.
Spre exemplu, reacția de oxidare a magneziului,
care duce la formarea oxidului de magneziu.
Reacția inversă de obținerea metalului din oxidul său
a fost definită ca fiind proces de reducere.
De exemplu, reacția de obținerea magneziului din oxidul de magneziu
este o reacție de reducere a oxidului de magneziu.
Însă ulterior, aceste definiții au căpătat un sens mult mai larg.
Spre exemplu, este considerată ca fiind reacția de oxidare
și reacția dintre magneziu și clor,
chiar dacă aceasta nu implică prezența oxigenului.
La fel, reducerea clorului de cuprul cu hidrogen
este considerată o reacție de reducere,
deși cuprul este obținut dintr-o clorură și nu dintr-un oxid.
Toate aceste reacții cât și procesele despre care am pomenit la începutul lecției
sunt consecințe ale transferului de electron
de la o specie chimică la alta.
Atât în cazul oxidării cât și în cazul reducerii
sunt atomi care se lasă târâți sau transportați alături de electronul care migrează.
Însă, oricum ar fi cu acești atomi,
procesul fundamental care are loc este transferul de electron
de la ceea ce se oxidează la ceea ce se reduce.
Mesajul principal pe care trebuie să-l reținem neapărat este următorul.
Oxidarea este cedare de electron,
iar reducerea este acceptare de electron.
Nouă limba română ne vine foarte mult în ajutor în acest caz.
Pentru a putea reține semnificațiile acestor procese
e de ajuns să ne uităm cu atenție la felul în care sunt formate cele două cuvinte,
oxidare și reducere.
Oxidare conține în structura lui dare,
deci clar ne gândim că la oxidare specia chimică care se oxidează dă electron.
Cuvântul reducere conține în structura lui cuvântul cere,
deci specia chimică care se reduce cere electron,
deci clar atunci când îi se oferă va accepta electronul fără prea multă discuție.
Pentru a putea da o definiție și mai cumprinzătoare a acestor procese
trebuie să ne reamintim mai întâi ce este numărul de oxidare.
Numărul de oxidare reprezintă o definire mai generală a valenței
care include atât electrovalențele pozitivă și negativă
ce se referă la transferul de electron,
cât și covalența care se referă la punerea în comun de electron.
Deci numărul de oxidare al unui atom reprezintă o sarcină
pe care el ar putea să o aibă teoretic într-un compus.
Am mai discutat în lecția dedicată numerelor de oxidare
și despre regulile pentru stabilirea numerelor de oxidare.
Așadar, acum putem defini astfel reacțiile de oxidare și de reducere.
Reacția de oxidare este procesul în care o specie chimică cedează electron,
iar numărul de oxidare al unui element din acea specie chimică va crește.
Reacția de reducere este procesul în care o specie chimică acceptă electron,
iar numărul de oxidare al unui element din acea specie chimică scade,
deci se reduce.
Haideți să ne uităm la reacțiile de mai devreme.
În cazul reacției dintre oxigen și magneziu,
observăm că numărul de oxidare al magneziului a crescut de la 0 la plus 2.
Magneziul a cedat 2 electroni oxigenului, deci spunem că magneziul s-a oxidat.
La fel și în reacția dintre magneziu și clor.
Magneziul este oxidat la magneziu plus 2,
el cedând de data aceasta 2 electroni celor 2 atomi de clor.
În cazul reacției dintre oxidul de magneziu și carbon,
observăm că numărul de oxidare al magneziului scade de la plus 2 la 0.
Magneziul acceptă 2 electroni și de aceea scade și numărul de oxidare.
Deci spunem că, în acest caz, magneziul s-a redus.
La fel și în reacția dintre clorura de cuprul și hidrogen,
cuprul este redus de la cuprul plus 2 la cuprul 0.
La fel ca protonii, nici electronii nu pot exista liberi în mediul de reacție.
Deci are loc un transfer de electroni de la o specie chimică la alta.
Când o specie chimică cedează electroni, înseamnă că ea se găsește în prezența altei specii chimice
care e capabilă să accepte acești electroni.
De aceea nu pot exista independent numai reacții de oxidare sau numai reacții de reducere,
ci întotdeauna au loc reacții care cuprind ambele procese,
adică au loc reacții de oxidoreducere sau, mai pe scurt, reacții redox.
Pe scurt, ansamblul proceselor de oxidare și de reducere constituie reacția redox.
Haideți să revenim acum la reacția dintre magneziu și clor.
În prezența clorului, fiecare atom de magneziu cedează câte 2 electroni și formează câte un ion magneziu 2+.
Acesta fiind un proces de oxidare.
Deci, numărul de oxidare al magneziului crește de la 0 la plus 2.
Atomii de clor se transformă în ion clor minus prin acceptarea câte unui electron de către fiecare atom de clor,
acesta fiind un proces de reducere.
Deci, numărul de oxidare al clorului scade de la 0 la minus 1.
Astfel, vedem că, de fapt, este vorba doar de transfer de electroni.
Electronii cedat de atomii de magneziu sunt transferați la atomii de clor.
Ecoația reacției globale se obține prin însumare a celor două ecoații de oxidare, respectiv de reducere,
astfel ca numărul electronilor cedați de magneziu să fie egal cu numărul electronilor acceptați de clor.
Așadar, e foarte important să reținem că, într-o reacție cu transfer de electroni, un atom cedează electroni, adică se oxidează,
și un atom acceptă electroni, adică se reduce.
Numărul electronilor cedați în procesul de oxidare este întotdeauna egal cu numărul electronilor acceptați în procesul de reducere.
Specia chimică din care face parte atomul sau ionul care acceptă electron se numește oxidant, adică specia care se reduce este oxidant,
iar substanța care conține specia oxidant se numește agent oxidant.
Când într-un amestec de reacție există o specie chimică care dorește să primească electroni, care se poate reduce,
această specie chimică poate genera oxidarea unei alte specie chimice care are de unde să-i cedeze electroni.
De acolo o denumirea de agent oxidant, deși substanța respectivă se reduce.
La fel, specia chimică din care face parte atomul sau ionul care într-o reacție cu transfer de electron cedează electron se numește reducător,
adică specia care se oxidează este reducător, iar substanța în care există specia reducător se numește agent reducător.
Asta, deși substanța respectivă se oxidează, în același timp ea generează reducerea unei alte specie chimice care va primi electronii.
Pentru a obține anumite substanțe, chimiștii au nevoie de agent reducător și de agenți oxidanți eficienți.
La modul general, agenții oxidanți sunt compuși ai unor elemente cu numere de oxidare mari,
deci sunt buni oxidanți următorii compuși, acizii oxigenații ai nemetalelor precum acidul azotic, acidul sulfuric concentrat sau acidul percloric.
Mai sunt buni oxidanți și compușii metalelor tranziționale în care acestea au numere de oxidare mari,
permanganatul de potasiu, dioxidul de mangan sau dicromatul de potasiu.
Să vedem și care sunt numerele de oxidare ale elementelor din acești compuși.
Să ne reamintim că printre regulile pentru stabilirea numerelor de oxidare, este și o regulă care spune că suma algebrică a numerelor de oxidare
ale tuturor elementelor componente ale compusului este egală cu 0.
Știm că oxigenul are în general numărul de oxidare minus 2, iar potasiu plus 1.
Deci, după un calcul matematic simplu, vedem că în permanganatul de potasiu, manganul are numărul de oxidare egal cu plus 7.
În dioxidul de mangan, numărul de oxidare al manganului este plus 4.
Iar în dicromatul de potasiu, vedem că numărul de oxidare al cromului este plus 6.
Așadar, ne-am lămurit că, într-adevăr, în acești compuși, metalele tranziționale au numere de oxidare mari.
Alții agenții oxidanți sunt cationii metalelor puțin active, cuprul 2+, și, în special, ai metalelor nobile, argint plus sau aur 3+.
Asta deoarece acești cationi au tendința de a se reduce cu ușurință, deci de a primi electron.
Agenți de oxidare buni mai sunt și unele substanțe elementare, respectiv elementele cu electronegativitate mare.
Florul, oxigenul, clorul sau bromul.
Drept, agenți reducători sunt utilizate, de obicei, substanțele care se oxidează, adică cedează electroni, cu ușurință.
Acestea sunt metalele care au un caracter electronegativ foarte slab, adică potasiul, sodiul, magneziul, calciul.
Mai sunt și unele nemetale, precum hidrogenul și carbonul, dar și unii oxizi ai nemetalelor cu numere de oxidare mici,
precum monoxidul de carbon, în care carbonul are numărul de oxidare plus 2.
Agenți reducători buni sunt și unii hidracizi, precum acidul clorhidric, acidul bromhidric, acidul iodhidric sau hidrogenul sulfurat.
Pot fi utilizați ca reducători și ca tioni metalici cu numere de oxidare mici.
După cum am văzut chiar mai devreme în cazul manganului, există și elemente care pot avea mai multe numere de oxidare.
În aceste cazuri, compușii acestor elemente pot avea caracter oxidant atunci când elementul are număr de oxidare maxim,
pot avea caracter oxidant și reducător când elementul are număr de oxidare intermediar
sau mai pot avea caracter reducător când elementul are număr de oxidare minim.
Și tot mai devreme când vorbeam despre agențe oxidanțe, am pomenit și despre metale mai puțin active sau metale inactive.
Metalele au fost ordonate în funcție de caracterul oxidor reducător într-o ordine anume numită serie activității metalelor.
Această ordonare a fost făcută pe baza rezultatelor experimentale.
Metalele de la începutul seriei au tendința mai mare de a ceda electroni. Ele au un caracter reducător mai accentuat.
În special, vedem că sunt foarte active metalele alcaline și metalele alcalino-pământoase.
După hidrogen, sunt situate metalele care au o tendință mai mică de a ceda electroni. Acestea au un caracter reducător mai slan.
Lecția viitoare vom vedea cum ne putem ajuta de serie activității metalelor pentru a putea prezice care vor fi produsii de reacție în anumite reacții de substituție.
Așadar, am văzut în această lecție ce presupune transferul de electron.
E foarte important să reținem că oxidarea este cedare de electron, iar reducerea este acceptare de electron.
În lecția viitoare vom mai vedea și cum putem stabili coeficienței stoichiometrici în ecuațiile reacțiilor redox.