Bun, hai să vorbim despre al doilea mare tip de reacție chimică, care completează lumea acido-bazică: reacțiile redox. Dacă la acizi și baze se transferă protoni (H⁺), aici se transferă electronii (e⁻). Este chimia bateriilor, a coroziunii, a respirației și a metalurgiei. Să începem cu cheia de intrare: numărul de oxidare.
1. Numărul de Oxidare (N.O.): „Starea de Încărcare” Aparentă
Numărul de oxidare nu este o sarcină reală (ca la ioni), ci o convenție, o valoare atribuită unui atom dintr-o substanță, ca și cum toate legăturile ar fi ionice. Este instrumentul nostru pentru a urmări electronii.
Reguli de Aur pentru Determinarea N.O. (Le Știi pe de Rost!)
- N.O. al unui element în stare liberă = 0.
- Ex: Fe, O₂, Cl₂, S₈ → N.O. = 0.
- Ionul monoatomic = sarcina sa.
- Ex: Na⁺ → N.O. = +1, Ca²⁺ → +2, Cl⁻ → -1, S²⁻ → -2.
- Oxigenul are N.O. = -2 (cu EXCEPȚII majore: în peroxizi (ex: H₂O₂) are -1, iar în compușii cu fluor are pozitiv).
- Hidrogenul are N.O. = +1 (cu EXCEPȚIA când e legat de metale – hidruri – ex: NaH, unde are -1).
- Metalele alcaline (Grupa 1) au întotdeauna N.O. = +1.
- Ex: în NaCl, Na = +1, Cl = -1.
- Metalele alcalino-pământoase (Grupa 2) au întotdeauna N.O. = +2.
- Ex: în CaCl₂, Ca = +2, Cl = -1.
- Fluorul (cel mai electronegativ) are întotdeauna N.O. = -1.
- Suma N.O. pentru toți atomii dintr-o moleculă neutră = 0.
- Ex: H₂SO₄: 2(+1) + S + 4(-2) = 0 → S = +6.
- Suma N.O. pentru toți atomii dintr-un ion poliatomic = sarcina ionului.
- Ex: SO₄²⁻: S + 4*(-2) = -2 → S = +6.
Exercițiu rapid: Care e N.O. al Cr în K₂Cr₂O₇?
- K: +1 (regula 5) → 2 atomi K: +2
- O: -2 (regula 3) → 7 atomi O: -14
- Molecula e neutră: (+2) + (2 * Cr) + (-14) = 0
- 2Cr = +12 → Cr = +6
2. Reacții Redox: Schimbul Formal de Electroni
Într-o reacție redox, se modifică numerele de oxidare pentru unii atomi.
- OXIDAREA:Creșterea numărului de oxidare. (Atomul pierde electroni, devine mai pozitiv).
- Regula: LEO = Loss of Electrons is Oxidation (Pierderea electronilor = Oxidare)
- REDUCEREA:Scăderea numărului de oxidare. (Atomul câștigă electroni, devine mai negativ).
- Regula: GER = Gain of Electrons is Reduction (Câștigul de electroni = Reducere)
Mnemonic: „OIL RIG” – Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain.
Agenti Redox:
- Agentul Reductor: Este substanța care se oxidează. Ea dă electroni celeilalte substanțe, provocând reducerea acesteia.
- Agentul Oxidant: Este substanța care se reduce. Ea primește electroni de la cealaltă substanță, provocând oxidarea acesteia.
Exemplu clasic: Reacția dintre Fier și Cupru
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu- Identificăm N.O.: Fe (0) → Fe²⁺ (+2) în FeSO₄. N.O. crește de la 0 la +2 → Fe se OXIDEAZĂ. Fe este agent reduc.
- Cu²⁺ (+2) în CuSO₄ → Cu (0). N.O. scade de la +2 la 0 → Cu²⁺ se REDUCE. CuSO₄/Cu²⁺ este agent oxidant.
3. Cum Echilibrezi o Ecuație Redox? (Metoda Ion-Electron sau a Jumătăților de Reacție)
Aceasta este o întrebare frecventă la Bac. Să luăm un exemplu în mediu acid: MnO₄⁻ + Fe²⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺ (în H₂SO₄).
Pasul 1: Scrie semireacțiile de oxidare și reducere.
- Oxidare: Fe²⁺ → Fe³⁺ + 1e⁻ (fierul pierde 1 electron)
- Reducere: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O (manganul câștigă 5 electroni; se adaugă H⁺ și H₂O pentru a echilibra O și H)
Pasul 2: Egalează numărul de electroni. Găsești cel mai mic multiplu comun.
- Oxidare (x5): 5Fe²⁺ → 5Fe³⁺ + 5e⁻
- Reducere (x1): MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O
Pasul 3: Adună semireacțiile și simplifică.
5Fe²⁺ + MnO₄⁻ + 8H⁺ → 5Fe³⁺ + Mn²⁺ + 4H₂O
Verifici: Sarcina stânga: 5(+2) + (-1) + 8(+1) = +10 -1 +8 = +17. Dreapta: 5*(+3) + (+2) = +15+2=+17. Corect.
4. Seria Activății Metalelor: „Cine Îi dă Cuie Cui?”
Este o serie care aranjează metalele în ordinea descrescătoare a capacității lor de a se oxida (de a-și da electronii).
Regulă simplă: Un metal îl poate înlocui (reduce) pe un ion metalic din soluție, dacă este mai sus în seria activității!
- Ex: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu (Zn e mai activ decât Cu, așa că îl înlocuiește).
- Ex: Cu + ZnSO₄ → NU ARE LOC (Cu e mai puțin activ, nu poate înlocui Zn²⁺).
Ordine aproximativă: K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Sn > Pb > (H) > Cu > Ag > Au
- Metalele din stânga lui H reacționează cu acizii diluați, degajând H₂.
- Metalele din dreapta lui H (nobilele) NU reacționează cu acizii diluați.
5. Aplicații Uimitoare (și Subiecte de Bac)
A. Coroziunea (Ruginirea Fierului)
Este un proces redox nedorit, în care fierul (Fe) se oxidează în prezența oxigenului și a apei.
- Ecuație simplificată: 4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃ (hidroxid feric – rugina)
B. Pilile și Bateriile
Dispozitive care transformă energia chimică în energie electrică printr-o reacție redox spontană.
- Exemplu: Pila Daniell (Zn-Cu):
- Electrodul de Zn (Anod – locul OXIDĂRII): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (Zn se consumă)
- Electrodul de Cu (Catod – locul REDUCERII): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (Cu se depune)
- Electronii circulă prin sârmă (curent electric), iar ionii prin punte salină.
C. Electroliza
Procesul opus: folosești energie electrică pentru a forța desfășurarea unei reacții redox nespontane.
- Exemplu: Electroliza apei: 2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g) (cu ajutorul curentului electric).
- Aplicație: Obținerea metalelor pure din minereuri (ex: Al din Al₂O₃).
D. Respirația Celulară
Cel mai important proces redox biologic! Glucoza (C₆H₁₂O₆) este oxidata de oxigen, producând energie (ATP), CO₂ și H₂O.
- C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energie
Concluzie: Din Baterii la Respirație
Reacțiile redox sunt fundamentul schimbului de energie în lumea fizică și biologică. Ele explică:
- Cum obținem energie (din alimente prin respirație, din combustibili prin ardere).
- Cum stocăm energia (în bateriile telefonului sau mașinii electrice).
- Cum obținem metale pure (din minereuri prin reducere).
- Cum se distrug materiale (prin coroziune).
Pentru Bacalaureat, asigură-ți că poți:
- Calcula corect numerele de oxidare în orice specie chimică.
- Identifica agenții de oxidare și reducere într-o reacție dată.
- Prezice dacă o reacție de înlocuire are loc folosind seria activității metalelor.
- Echilibra o ecuație redox simplă în mediu acid (pas cu pas).
Reacțiile redox sunt dansul electronilor care pune în mișcre totul, de la cea mai mică baterie până la stele. Învață pașii acestui dans, și vei înțelege o forță fundamentală a universului chimic.
Leave a Reply