ΧΗΜΕΙΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ B ΛΥΚΕΙΟΥ

Transcript

1 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ: ΟΡΙΣΜΟΊ ΟΞΕΊΔΩΣΗΣ ΟΡΙΣΜΟΊ ΑΝΑΓΩΓΉΣ Οξείδωση είναι η ένωση ενός στοιχείου με οξυ Αναγωγή είναι η ένωση ενός στοιχείου με υδρο γόνο ή η αφαίρεση υδρογόνου από μία χημική γόνο ή η αφαίρεση οξυγόνου από μία χημική ένωση ένωση Οξείδωση είναι η αποβολή ηλεκτρονίων Αναγωγή είναι η πρόσληψη ηλεκτρονίων Οξείδωση είναι η αύξηση του αριθμού οξείδω Αναγωγή είναι η μείωση του αριθμού οξείδω σης σης Τι ονομάζεται αριθμός οξείδωσης ατόμου ή ιόντος; Ο αριθμός οξείδωσης είναι μια συμβατική έννοια, η οποία επινοήθηκε για να διευκολύνει: i. τη γραφή των μοριακών τύπων και την ονοματολογία των ενώσεων ii. τη συστηματική κατάταξη των χημικών αντιδράσεων (μεταθετικές οξειδοαναγωγι κές), iii. την εύρεση των συντελεστών (ισοστάθμιση) στις χημικές εξισώσεις των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής Αριθμός οξείδωσης (Α.Ο.): στις ιοντικές (ετεροπολικές) ενώσεις, ονομάζεται το πραγματικό φορτίο που έχει ένα ιόν. Στις ομοιοπολικές (μοριακές) ενώσεις, ονομάζεται το φαινομενικό φορτίο που θα αποκτήσει ένα άτομο, αν τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων των ομοιοπολικών δε σμών αποδοθούν στο ηλεκτραρνητικότερο άτομο. Θυμίζετε ότι: Ηλεκτραρνητικότητα είναι η τάση που έχει το άτομο ενός στοιχείου, το οποίο βρίσκεται ενωμένο σε ένα μόριο, να έλκει προς το μέρος του τα ηλεκτρόνια του ομοιοπολικού δεσμού. Στον περιοδικό πίνακα η ηλεκτραρνητικότητα αυξάνεται από κάτω προς τα πάνω και από αριστερά προς δεξιά. Με ποιους πρακτικούς κανόνες υπολογίζουμε τον αριθμό οξείδωσης; Οι πρακτικοί κανόνες προκύπτουν με βάση τον ορισμό του αριθμού οξείδωσης και τη σειρά ηλεκτραρνητικότητας των στοιχείων και είναι οι εξής: 1) Τα στοιχεία σε ελεύθερη κατάσταση έχουν αριθμό οξείδωσης μηδέν. Για παράδειγμα: Na, Fe, O2, O3, P 4 2) Σε ένα μονοατομικό ιόν ο αριθμός οξείδωσης είναι ίσος με το φορτίο του ιόντος. Για παράδειγμα: στο Fe +3 ο αριθμός οξείδωσης είναι +3, ενώ στο Ο-2 είναι αντίστοιχα -2. 3) Όλα τα μέταλλα στις ενώσεις τους έχουν θετικό αριθμό οξείδωσης. Τα αλκάλια (ΙΑ ομάδα) Na, K, έχουν αριθμό οξείδωσης +1 και οι αλκαλικές γαίες (ΙΙΑ ομάδα) Mg, Ca, Ba, έχουν αριθμό οξείδωσης +2. 4) Το φθόριο (F) στις ενώσεις του έχει πάντοτε αριθμό οξείδωσης -1.

2 5) Το οξυγόνο (Ο) στις ενώσεις του έχει αριθμό οξείδωσης -2. Εξαίρεση αποτελεί η ένωση ΟF2 (οξείδιο του φθορίου) στην οποία έχει +2 και τα υπεροξεί δια στα οποία έχει Α.Ο. -1. (π.χ. Η 2 Ο2 ) 6) Το υδρογόνο (Η) στις ενώσεις του έχει αριθμό οξείδωσης +1. Εξαίρεση αποτελούν τα υδρίδια των μετάλλων (ιοντικές ενώσεις), στα οποία έχει Α.Ο. -1 (π.χ. Ca H 2 ) 7) To αλγεβρικό άθροισμα των αριθμών οξείδωσης όλων των ατόμων σε μια ένωση είναι μη δέν. Το αλγεβρικό άθροισμα των αριθμών οξείδωσης όλων των ατόμων σε ένα πολυατομικό ιόν είναι ίσο με το φορτίο του ιόντος. Συνηθέστεροι Αριθμοί Οξείδωσης Μέταλλα K, Na, Ag +1 Αμέταλλα F -1 Ba, Ca, Mg, Zn +2 H +1 (-1) Al +3 O -2 (-1, +2) Cu, Hg +1, +2 Cl, Br, I -1 (+1, +3, +5, +7) Fe, Ni +2, +3 S -2 (+4, +6) Pb, Sn +2, +4 N, P -3 (+3, +5) Mn +2, +4, +7 C, Si -4, +4 Cr +3, +6 Να λυθούν οι ασκήσεις 13, 14 και 15 από τη σελίδα 168 του σχολικού βιβλίου. Τι ονομάζεται οξειδωτική και τι αναγωγική ουσία; Οξειδωτικές ουσίες ή απλά οξειδωτικά ονομάζονται οι ουσίες (στοιχεία, χημικές ενώσεις ή ιόντα) που προκαλούν την οξείδωση. Αναγωγικές ουσίες ή απλά αναγωγικά ονομάζονται οι ουσίες (στοιχεία, χημικές ενώσεις ή ιόντα) που προκαλούν την αναγωγή. Παρατηρήσεις: i. Σε μία αντίδραση οξειδοαναγωγής το οξειδωτικό είναι η ουσία που ανάγεται, ενώ το ανα γωγικό είναι η ουσία που οξειδώνεται. ii. Τα οξειδωτικά περιέχουν άτομα τα οποία μπορούν να αναχθούν, δηλαδή να ελαττώσουν τον αριθμό οξείδωσής τους. iii. Τα αναγωγικά περιέχουν άτομα τα οποία μπορούν να οξειδωθούν, δηλαδή να αυξήσουν τον αριθμό οξείδωσής τους. iv. Ένα οξειδωτικό είναι τόσο ισχυρότερο, όσο μεγαλύτερη τάση έχει για πρόσληψη ηλε κτρονίων. Παρόμοια, ένα αναγωγικό είναι τόσο ισχυρότερο, όσο μεγαλύτερη τάση έχει για αποβολή ηλεκτρονίων. Συγκεντρωτικά: ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΟ προκαλεί οξείδωση ανάγεται προσλαμβάνει ηλεκτρόνια ελαττώνεται ο Α.Ο. ΑΝΑΓΩΓΙΚΟ προκαλεί αναγωγή οξειδώνεται αποβάλλει ηλεκτρόνια αυξάνεται ο Α.Ο.

3 Πότε μια ουσία συμπεριφέρεται ως οξειδωτικό ή αναγωγικό; Ως οξειδωτικό συμπεριφέρεται μια ουσία που περιέχει στοιχείο με τον ανώτερο (ή έναν από τους μεγαλύτερους) αριθμούς οξείδωσής του, οπότε μπορεί να αναχθεί σε μικρότερο αριθμό οξεί δωσης. Ως αναγωγικό συμπεριφέρεται μια ουσία που περιέχει στοιχείο με τον κατώτερο (ή έναν από τους μικρότερους) αριθμούς οξείδωσής του, οπότε μπορεί να οξειδωθεί σε μεγαλύτερο αριθμό οξεί δωσης. Οξειδωτική σκάλα Θείου (S): οξειδωτικό H 2 S O4 ή S O3 αναγωγικό 4 S O2 S H2 S Οξειδωτική σκάλα Αζώτου (Ν): οξειδωτικό 5 H Ν O3 4 Ν O2 αναγωγικό ΝΟ Ν2 3 Ν Η3 Οξειδωτική σκάλα Χλωρίου (Cl): οξειδωτικό H Cl O 4 5 H Cl O 3 H Cl Ο 2 αναγωγικό H Cl O Cl 2 H Cl ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗΣ: 1) Σύνθεσης. Στις αντιδράσεις αυτές δύο ή περισσότερα στοιχεία ενώνονται προς σχηματισμό μιας χημικής ένωσης. π.χ. C + O2 CO2 2) Αποσύνθεσης και διάσπασης. Στην αποσύνθεση μια ένωση διασπάται στα στοιχεία της π.χ. 2HgO Hg + O2. Στις αντιδράσεις διάσπασης παράγονται ενώσεις π.χ. 2KClO3 2KCl + 2O2. Ωστόσο υπάρχουν και αντιδράσεις διάσπασης που δεν είναι οξειδοαναγωγής π.χ. CaCO3 CaO + CO2 (παρατηρήστε ότι κανένας Α.Ο. δεν μεταβάλλεται) 3) Απλή αντικατάσταση. Στις αντιδράσεις αυτές ένα στοιχείο αντικαθίσταται από κάποιο άλλο δραστικότερό του. i. Απλή αντικατάσταση μετάλλων.

4 Η σειρά δραστικότητας των μετάλλων είναι: (K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au) Αύξηση δραστικότητας Αντικατάσταση μετάλλου μιας ένωσης από δραστικότερο μέταλλο. Μέταλλο1 + Άλας1 Άλας2 + Μέταλλο2 Για παράδειγμα: Zn 2 Ag NO 3 Zn NO3 2 2Ag ή Cu ZnSO 4 δεν πραγματοποιείται! Ο Cu είναι λιγότερο δραστικός από τον Zn. Παρατηρήσεις: Στις αντιδράσεις απλής αντικατάστασης, όταν ένα μέταλλο έχει πολλούς αριθμούς οξείδωσης, τότε εμφανίζεται στα προϊόντα με τον μικρότερο αριθμό οξείδωσης. (Για παράδειγμα, ο Fe οξειδώνεται σε Fe+2). Εξαιρείται ο Cu που οξειδώνεται σε Cu+2. Αντικατάσταση του υδρογόνου ενός οξέος από δραστικότερο μέταλλο. Τα μέταλλα που είναι πριν το Η στη σειρά δραστικότητας, μπορούν να αντικαταστή σουν το υδρογόνο των οξέων και να ελευθερώσουν αέριο Η2. Μέταλλο + Οξύ Άλας + Η2 Για παράδειγμα: Fe H2 SO 4 Fe SO 4 H 2 Παρατηρήσεις: Το μέταλλο εμφανίζεται στο παραγόμενο άλας με τον μικρότερο αριθμό οξείδωσής του. Τα οξέα ΗΝΟ3 και Η2SO4 αντιδρούν με διαφορετικό τρόπο με τα μέταλλα και δεν ελευθερώνουν αέριο Η2. Τα πολύ δραστικά μέταλλα (K, Ba, Ca, Na) αντιδρούν με το Η2Ο και σχηματίζουν τα αντίστοιχα υδροξείδια. Μέταλλο + Η2Ο Υδροξείδιο του Μετάλλου + Η2 Για παράδειγμα: Na 2 H 2 O 2 Na OH H2 Τα υπόλοιπα μέταλλα, που είναι πιο δραστικά από το Η2, αντιδρούν με υδρατμούς σε υψηλή θερμοκρασία και σχηματίζουν τα αντίστοιχα οξείδια και Η2. Για παράδειγμα: Mg s H2 O g MgO s H2 g ii. Απλή αντικατάσταση αμετάλλων. Η σειρά δραστικότητας των αμετάλλων είναι: (F2, O3, Cl2, Br2, O2, I2, S) Αύξηση δραστικότητας Αμέταλλο1 + Άλας1 Άλας2 + Αμέταλλο2 Για παράδειγμα: Cl 2 2K Br 2K Cl Br 2

5 Οξειδωτική δράση του ΗΝΟ3 και του πυκνού-θερμού H2SO4: Τα οξέα ΗΝΟ3 και H2SO4 χαρακτηρίζονται ως «οξειδωτικά οξέα» και είναι ισχυρά οξειδωτικά μέσα. Έτσι, μπορούν να οξειδώσουν μέταλλα, αμέταλλα και διάφορες αναγωγικές ενώσεις Η Ν Ο3 πυκνό Ν O2, Η Ν Ο3 αραιό Ν O Η 2 S Ο4 πυκνό θερμό S O2 4 1) Επίδραση στα μέταλλα. Με επίδραση πυκνού-θερμού Η2SO4 και ΗΝΟ3 τα περισσότερα μέταλλα οξειδώνονται προς τα αντίστοιχα θειικά και νιτρικά άλατα. Δεν οξειδώνονται τα «ευγενή μέταλλα» Au και Pt. Παρατήρηση: Τα άλατα που προκύπτουν περιέχουν το μέταλλο με τον μεγαλύτερο αριθμό οξείδωσής του (συνήθως 3). Για παράδειγμα, ο Cu Cu και ο Fe Fe Το αραιό H2SO4 αντιδρά με διαφορετικό τρόπο με τα μέταλλα (απλή αντι κατάσταση) και ελευθερώνει αέριο H2. 2) Επίδραση στα αμέταλλα. Τα περισσότερα στερεά αμέταλλα οξειδώνονται προς τα αντίστοιχα -ικά οξέα, όπως φαίνε ται στον παρακάτω πίνακα. C P S I2 Πυκνό-θερμό H2SO4 CO2 H3PO4 SO2 Πυκνό ΗΝΟ3 CO2 H3PO4 H2SO4 HIO3 Αραιό ΗΝΟ3 H3PO4 H2SO4 Οξειδωτική δράση του KMnO4 (υπερμαγγανικό κάλιο) και του Κ2Cr2O7 (διχρωμικό κάλιο): Τα σώματα αυτά εκδηλώνουν την οξειδωτική τους δράση σε όξινο περιβάλλον και μετατρέπο νται αντίστοιχα σε άλατα Mn+2 και Cr+3. Ως όξινο περιβάλλον χρησιμοποιείται συνήθως το H2SO4. αναγωγικό Κ Mn Ο4 H2 SO 4 Mn SO 4 K 2 SO 4... αναγωγικό Κ 2 Cr 2 Ο7 H2 SO 4 Cr 2 SO 4 3 K 2 SO 4... Πως συμπληρώνουμε τη χημική εξίσωση μιας πολύπλοκης οξειδοαναγωγικής αντίδρασης: Αρχή διατήρησης ηλεκτρικού φορτίου: Σε μία αντίδραση οξειδοαναγωγής ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων που αποβάλλει το αναγωγικό είναι ίσος με τον συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων που προ σλαμβάνει το οξειδωτικό. Διαφορετικά, γράφουμε: Συνολική Μεταβολή Α.Ο. οξειδωτικού Συνολική Μεταβολή Α.Ο. αναγωγικού

6 αριθμός ατόμων αναγόμενου στοιχείου αριθμός ατόμων αναγόμενου στοιχείου ελάττωση Α.Ο. Χ Χ αύξηση Α.Ο. Η διαδικασία που ακολουθείται για την εύρεση των συντελεστών, σύμφωνα με τη μέθοδο της μεταβολής του αριθμού οξείδωσης, είναι η εξής: (1) Γράφουμε τα αντιδρώντα, προσδιορίζουμε το οξειδωτικό και το αναγωγικό και με βάση τη θεωρία γράφουμε τα προϊόντα που δίνουν. (2) Υπολογίζουμε τη μεταβολή του αριθμού οξείδωσης του στοιχείου που οξειδώνεται και του στοιχείου που ανάγεται. (3) Η συνολική μεταβολή του Α.Ο. του αναγωγικού μπαίνει συντελεστής στο προϊόν αναγωγής και η συνολική μεταβολή του Α.Ο. του οξειδωτικού στο προϊόν οξείδωσης. (4) Με βάση τους συντελεστές που τοποθετήσαμε στο δεύτερο μέλος της χημικής εξίσωσης, καθορίζουμε και τους συντελεστές στο πρώτο μέλος, έτσι ώστε να ισχύει η αρχή διατήρη σης της μάζας. Τέλος, κάνουμε ισοστάθμιση στα άτομα Η (ή Ο), προσθέτοντας κατάλληλο αριθμό μορίων Η2Ο σε όποιο μέλος της χημικής εξίσωσης απαιτείται. Παραδείγματα: 1) Να συμπληρωθεί η αντίδραση KMnO4 + H2S + H2SO4 Λύση: Βήμα 1ο: Γράφουμε τα προϊόντα: Κ Mn Ο4 Η2 S H2 SO 4 Mn SO 4 K 2 SO 4 S ο Βήμα 2 : Το Mn μειώνει τον Α.Ο. του, άρα ανάγεται, ενώ το S αυξάνει τον Α.Ο. του, άρα οξειδώνεται. Η μεταβολή του Α.Ο. για το Mn είναι: +7 +2, δηλαδή 5. Στο δεξιό μέλος υπάρχει 1 Mn, οπότε η συνολική μεταβολή του Α.Ο. για το Mn είναι 1x5 = 5. Η μεταβολή του Α.Ο. για το S είναι: -2, δηλαδή 2. Στο δεξιό μέλος υπάρχει 1 S, οπότε η συνολική μεταβολή του Α.Ο. για το S είναι 1x2 = 2. Βήμα 3ο: Συμπληρώνουμε το 2 στο MnSO4 και το 5 στο S. Έτσι έχουμε: Κ Mn Ο4 Η2 S H2 SO 4 2 Mn SO 4 K 2 SO 4 5 S ο Βήμα 4 : Συμπληρώνουμε συντελεστές στο πρώτο μέλος ώστε να ικανοποιείται η αρχή δια τήρησης της μάζας. Έτσι έχουμε: 2 Κ Mn Ο 4 5 Η2 S 3 H2 SO 4 2Mn SO 4 K 2 SO4 5S Τέλος, συμπληρώνουμε τα Η2Ο για να ισοσταθμίσουμε τα Η και τα Ο. Έχουμε 16 Η στο πρώτο μέλος, οπότε συμπληρώνουμε 8 Η2Ο στο δεύτερο. Η συνολική αντίδραση είναι: 2Κ Mn Ο 4 5Η 2 S 3H 2 SO4 2Mn SO 4 K 2 SO 4 5S 8Η 2 Ο 2) Να συμπληρωθεί η αντίδραση K2Cr2O7 + Cu + H2SO4 Λύση: Βήμα 1ο: Γράφουμε τα προϊόντα: Κ 2 Cr Ο7 Cu H2 SO 4 Cr 2 SO 4 3 K 2 SO 4 Cu SO 4

7 Βήμα 2ο: Το Cr μειώνει τον Α.Ο. του, άρα ανάγεται, ενώ o Cu αυξάνει τον Α.Ο. του, άρα οξειδώνεται. Η μεταβολή του Α.Ο. για το Cr είναι: +6 +3, δηλαδή 3. Στο δεξιό μέλος υπάρχουν 2 Cr, οπότε η συνολική μεταβολή του Α.Ο. για το Cr είναι 2x3 = 6. Η μεταβολή του Α.Ο. για τον Cu είναι: +2, δηλαδή 2. Στο δεξιό μέλος υπάρχει 1 Cu, οπότε η συνολική μεταβολή του Α.Ο. για το Cu είναι 1x2 = 2. Όταν οι συνολική μεταβολή μπορεί να απλοποιηθεί προχωράμε σε απλοποιήσεις. Στο πα ράδειγμά μας μπορούμε να διαιρέσουμε με το 2. Βήμα 3ο: Συμπληρώνουμε το 3 στο CuSO4 και το 1 στο Cr2(SO4)3. Έτσι έχουμε: Κ 2 Cr Ο7 Cu H2 SO 4 1 Cr 2 SO 4 3 K 2 SO 4 3 Cu SO 4 Βήμα 4ο: Συμπληρώνουμε συντελεστές στο πρώτο μέλος ώστε να ικανοποιείται η αρχή διατήρησης της μάζας. Έτσι έχουμε: Κ 2 Cr Ο7 3 Cu 7 H2 SO 4 Cr 2 SO 4 3 K2 SO 4 3Cu SO 4 Τέλος, συμπληρώνουμε τα Η2Ο για να ισοσταθμίσουμε τα Η και τα Ο. Έχουμε 14 Η στο πρώτο μέλος, οπότε συμπληρώνουμε 7 Η2Ο στο δεύτερο. Η συνολική αντίδραση είναι: Κ 2 Cr Ο 7 3Cu 7H 2 SO4 Cr 2 SO 4 3 K 2 SO 4 3Cu SO4 7H 2 O Για το σπίτι: Δουλέψτε ανάλογα τις παρακάτω αντιδράσεις: 1) Κ2Cr2O7 + H2S + H2SO4 2) KMnO4 + H2S + H2SO4 3) KMnO4 + Fe + H2SO4 4) Κ2Cr2O7 + HBr To HΒr είναι το αναγωγικό και ταυτόχρονα έχει ρόλο όξινου περιβάλλοντος. 5) KMnO4 + HCl To HCl είναι το αναγωγικό και ταυτόχρονα έχει ρόλο όξινου περιβάλλοντος. 6) Al + H2SO4 (πυκνό-θερμό) 7) Mg + H2SO4 (πυκνό-θερμό) 8) Fe + HNO3 (πυκνό)

8 9) Zn + HNO3 (αραιό) 1) HCl + H2SO4 (πυκνό-θερμό) 11) FeO + H2SO4 (πυκνό-θερμό) Fe2(SO4)3 + 12) Cu2O + HNO3 (αραιό) 13) C + H2SO4 (πυκνό-θερμό) 14) C + HNO3 (πυκνό) 15) P + HNO3 (αραιό) 16) Κ2Cr2O7 + H2SO4 + Η2Ο2 17) SO2 + HNO3 (πυκνό) 18) CO + HNO3 (αραιό) 19) Κ2Cr2O7 + CO H2SO4 2) Κ2Cr2O7 + FeCl2 H2SO4 FeCl3 +