redoks -Redox

Sodyum ve florin iyonik olarak bağlanarak sodyum florür oluşturması . Sodyum , kararlı bir elektron konfigürasyonu sağlamak için dış elektronunu kaybeder ve bu elektron flor atomuna ekzotermik olarak girer . Zıt yüklü iyonlar daha sonra birbirlerine çekilir. Sodyum oksitlenir; ve flor azalır.
Güçlü bir oksitleyici ve bir indirgeyici madde arasındaki reaksiyonun gösterilmesi. Toz halindeki potasyum permanganata (güçlü oksitleyici ajan) birkaç damla gliserol (hafif indirgeyici ajan) eklendiğinde , kendiliğinden tutuşmanın eşlik ettiği şiddetli bir redoks reaksiyonu başlar.
OIL RIG anımsatıcısıyla sodyum ve klor arasındaki indirgeme-oksidasyon reaksiyonu örneği

Redoks ( redüksiyon–oksidasyon , / ˈ r ɛ d ɒ k s / RED -oks , / ˈ r d ɒ k s / REE -doks ) substratın oksidasyon durumlarının değiştiği bir kimyasal reaksiyon türüdür .

  • Oksidasyon , elektron kaybı veya içindeki bir kimyasalın veya atomların oksidasyon durumundaki bir artıştır .
  • İndirgeme , elektronların kazanılması veya içindeki bir kimyasalın veya atomların oksidasyon durumundaki bir azalmadır .

Redoks reaksiyonlarının iki sınıfı vardır:

  • sadece bir (genellikle) elektronun indirgeyici ajandan oksidana aktığı elektron transferi . Bu tip redoks reaksiyonu genellikle redoks çiftleri ve elektrot potansiyelleri açısından tartışılır.
  • atom transferi , burada bir atom bir substrattan diğerine geçer. Örneğin, demirin paslanmasında , demir okside dönüşürken demir atomlarının oksidasyon durumu artar ve aynı zamanda demir tarafından salınan elektronları kabul ettiği için oksijenin oksidasyon durumu azalır. Oksidasyon reaksiyonları genellikle oksit oluşumu ile ilişkilendirilse de, diğer kimyasal türler de aynı işlevi görebilir. Hidrojenasyonda , C=C ( ve diğer) bağları hidrojen atomlarının transferi ile indirgenir.

terminoloji

"Redoks", "redüksiyon" ve "oksidasyon" kelimelerinin birleşimidir . "Redoks" terimi ilk olarak 1928'de kullanıldı. Oksidasyon ve indirgeme süreçleri aynı anda meydana gelir ve bağımsız olarak gerçekleşemez. Redoks işlemlerinde, indirgeyici elektronları oksitleyiciye aktarır. Böylece reaksiyonda, indirgeyici veya indirgeyici madde elektron kaybeder ve oksitlenir ve oksitleyici veya oksitleyici madde elektron kazanır ve indirgenir. Belirli bir reaksiyonda yer alan oksitleyici ve indirgeyici madde çiftine redoks çifti denir . Redoks çifti , indirgeyici bir türdür ve buna karşılık gelen oksitleyici formudur, örneğin Fe2+
/ Fe3+
.Yalnız oksidasyon ve tek başına indirgeme yarı reaksiyon olarak adlandırılır, çünkü tam bir reaksiyon oluşturmak için iki yarı reaksiyon her zaman birlikte meydana gelir.

oksidanlar

Oksidasyon başlangıçta oksijenle bir oksit oluşturmak için reaksiyona girmişti. Daha sonra terim, paralel kimyasal reaksiyonlar gerçekleştiren oksijen benzeri maddeleri kapsayacak şekilde genişletildi. Sonuçta, anlam elektron kaybını içeren tüm süreçleri içerecek şekilde genelleştirildi. Diğer maddeleri oksitleme (elektron kaybetmelerine neden olma) yeteneğine sahip olan maddelere oksitleyici veya oksitleyici maddeler denir ve oksitleyici maddeler , oksitleyiciler veya oksitleyiciler olarak bilinirler . Oksitleyici (oksitleyici ajan), elektronları başka bir maddeden uzaklaştırır ve böylece kendisi indirgenir. Ve elektronları "kabul ettiği" için oksitleyici maddeye elektron alıcısı da denir . Oksidanlar genellikle yüksek oksidasyon durumlarında elementlere sahip kimyasal maddelerdir (örn., H
2
Ö
2
, MnO-
4
, CRO
3
, Kr
2
Ö2−
7
, OsO
4
) veya başka bir maddeyi oksitleyerek ekstra elektron kazanabilen yüksek elektronegatif elementler ( O 2 , F 2 , Cl 2 , Br 2 ).

Oksitleyiciler oksidanlardır ancak bu terim, özellikle patlamalar bağlamında, esas olarak oksijen kaynakları için ayrılmıştır. Nitrik asit bir oksitleyicidir.

Oksitleyici kimyasallar için uluslararası piktogram

Oksijen en önemli oksitleyicidir.

redüktörler

Diğer maddeleri indirgeme (elektron kazanmalarına neden olma) yeteneğine sahip maddelere indirgeyici veya indirgeyici denir ve indirgeyici maddeler , indirgeyiciler veya indirgeyiciler olarak bilinir . İndirgeyici (indirgeyici madde) elektronları başka bir maddeye aktarır ve böylece kendisi oksitlenir. Ve elektron bağışladığı için indirgeyici maddeye elektron donörü de denir . Elektron donörleri ayrıca elektron alıcıları ile yük transfer kompleksleri oluşturabilir. İndirgeme kelimesi başlangıçta metali çıkarmak için metal oksit gibi metalik bir cevherin ısıtılması üzerine ağırlıktaki kayıp anlamına gelir. Başka bir deyişle, cevher metale "indirgendi". Antoine Lavoisier , bu ağırlık kaybının, gaz halindeki oksijenin kaybından kaynaklandığını gösterdi. Daha sonra bilim adamları, metal atomunun bu süreçte elektron kazandığını fark ettiler. İndirgemenin anlamı daha sonra elektron kazanımını içeren tüm süreçleri kapsayacak şekilde genelleştirildi. İndirgeme eşdeğeri , redoks reaksiyonlarında bir elektronun eşdeğerini aktaran kimyasal türleri ifade eder . Terim biyokimyada yaygındır. İndirgeyici bir eşdeğer, bir hidrit iyonu olarak bir elektron, bir hidrojen atomu olabilir .

Kimyadaki indirgeyiciler çok çeşitlidir. Lityum , sodyum , magnezyum , demir , çinko ve alüminyum gibi elektropozitif elementer metaller iyi indirgeyici maddelerdir. Bu metaller nispeten kolayca elektron verir veya verir . Elektron aktarırlar.

NaBH 4 ve LiAlH 4 gibi hidrit transfer reaktifleri atom transferi ile azalır: hidrid veya H - eşdeğerini transfer ederler . Bu reaktifler yaygın olarak [ karbonil bileşiklerinin alkollere indirgenmesinde] kullanılır . İlgili bir indirgeme yöntemi, H atomlarının kaynakları olarak hidrojen gazının (H2) kullanımını içerir.

Elektronasyon ve deelektronasyon

Elektrokimyacı John Bockris , elektrotlarda meydana geldiklerinde sırasıyla indirgeme ve oksidasyon işlemlerini tanımlamak için elektronasyon ve deelektronasyon kelimelerini önerdi . Bu kelimeler protonasyon ve deprotonasyona benzer . IUPAC elektronasyon terimini kabul etmesine rağmen, dünya çapındaki kimyagerler tarafından geniş çapta benimsenmemiştir .

Oranlar, mekanizmalar ve enerjiler

Redoks reaksiyonları, pas oluşumunda olduğu gibi yavaş veya yakıtın yanması durumunda olduğu gibi hızlı bir şekilde meydana gelebilir. Elektron transfer reaksiyonları genellikle hızlıdır ve karıştırma süresi içinde meydana gelir.

Atom transfer reaksiyonlarının mekanizmaları oldukça değişkendir çünkü birçok çeşit atom transfer edilebilir. Bu tür reaksiyonlar aynı zamanda oldukça karmaşık olabilir, yani birçok adımı içerebilir. Elektron transfer reaksiyonlarının mekanizmaları, iç küre elektron transferi ve dış küre elektron transferi olmak üzere iki farklı yolla meydana gelir .

Sudaki bağ enerjilerinin ve iyonlaşma enerjilerinin analizi, redoks reaksiyonlarının termodinamik yönlerinin hesaplanmasına izin verir.

Standart elektrot potansiyelleri (indirgeme potansiyelleri)

Her yarı reaksiyonun standart bir elektrot potansiyeli vardır ( Eo
hücre
), katot reaksiyonunun düşünülen yarı reaksiyon olduğu bir elektrokimyasal hücrenin standart koşulları altında dengedeki potansiyel farka veya voltaja eşittir ve anot , hidrojenin oksitlendiği standart bir hidrojen elektrotudur :

12  H 2 → H + + e - .

Her bir yarı reaksiyonun elektrot potansiyeli, indirgenme potansiyeli E olarak da bilinir.o
kırmızı
veya yarı reaksiyon bir katotta gerçekleştiğinde potansiyel. İndirgeme potansiyeli, oksitleyici maddenin indirgenme eğiliminin bir ölçüsüdür. Değeri tanım olarak H + + e -12  H 2 için sıfırdır, H + 'dan daha güçlü oksitleyici ajanlar için pozitiftir (örn., F 2 için +2.866 V ) ve H + ' dan daha zayıf oksitleyici ajanlar için negatiftir (örn . , -0.763 V, Zn 2+ için ).

Bir hücrede gerçekleşen bir redoks reaksiyonu için potansiyel fark:

Eo
hücre
= Eo
katot
Eo
anot

Bununla birlikte, anottaki reaksiyonun potansiyeli bazen bir oksidasyon potansiyeli olarak ifade edilir :

Eo
öküz
 = – Eo
kırmızı
.

Oksidasyon potansiyeli, indirgeyici maddenin oksitlenme eğiliminin bir ölçüsüdür ancak bir elektrottaki fiziksel potansiyeli temsil etmez. Bu gösterimle hücre voltajı denklemi artı işaretiyle yazılır.

Eo
hücre
= Eo
kırmızı(katot)
+ Eo
öküz (anot)

Redoks reaksiyonlarına örnekler

Redoks reaksiyonunun çizimi

Hidrojen ve flor arasındaki reaksiyonda , hidrojen oksitleniyor ve flor indirgeniyor:

H
2
+ F
2
→ 2 HF

Bu reaksiyon kendiliğindendir ve HF bağı FF bağından çok daha güçlü olduğu için 2 g hidrojen başına 542 kJ salmaktadır. Bu reaksiyon iki yarı reaksiyon olarak analiz edilebilir . Oksidasyon reaksiyonu hidrojeni protonlara dönüştürür:

H
2
→ 2  H + + 2  e -

İndirgeme reaksiyonu, floru florür anyonuna dönüştürür:

F
2
+ 2 e - → 2  F -

Elektronlar birbirini götürecek şekilde yarım reaksiyonlar birleştirilir:

H
2
2 H + + 2 e -
F
2
+ 2 e -
2 F -

H2 + F2 _ 2H + + 2F -

Protonlar ve florür, redoks olmayan bir reaksiyonda hidrojen florür oluşturmak için birleşir:

2 H + + 2 F → 2 HF

Genel reaksiyon:

H
2
+ F
2
→ 2 HF

Metal yer değiştirme

Redoks reaksiyonu, resimdeki Galvanik hücre gibi bir elektrokimyasal hücrenin arkasındaki kuvvettir . Pil, bir CuSO 4 çözeltisi içinde bir bakır elektrota bir tel ve gözenekli bir disk ile bağlanmış bir ZnSO 4 çözeltisi içinde bir çinko elektrottan yapılmıştır .

Bu tip reaksiyonda, bir bileşikteki (veya bir çözeltideki) bir metal atomu, başka bir metal atomu ile değiştirilir. Örneğin, çinko metali bir bakır(II) sülfat çözeltisine yerleştirildiğinde bakır çökelir :

Zn(s)+ CuSO 4 (sulu) → ZnSO 4 (sulu) + Cu(s)

Yukarıdaki reaksiyonda, çinko metali bakır(II) iyonunu bakır sülfat çözeltisinden uzaklaştırır ve böylece serbest bakır metalini serbest bırakır. Reaksiyon kendiliğindendir ve 65 g çinko başına 213 kJ salmaktadır.

Bu reaksiyon için iyonik denklem:

Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu

İki yarı reaksiyon olarak çinkonun oksitlendiği görülür:

Zn → Zn 2+ + 2 e -

Ve bakır azalır:

Cu 2+ + 2 e → Cu

Diğer örnekler

Korozyon ve paslanma

Hidratlı demir(III) oksitler Fe 2 O 3 · n H 2 O ve demir(III) oksit-hidroksitten (FeO(OH), Fe(OH) 3 ) oluşan demir(III) oksit veya pas gibi oksitler oksijen diğer elementlerle birleştiğinde oluşur
Pirit küplerinde demir paslanması
  • Korozyon terimi , oksijen gibi bir oksitleyici ile reaksiyona giren metallerin elektrokimyasal oksidasyonunu ifade eder. Demir oksitlerin oluşumu olan paslanma, elektrokimyasal korozyonun iyi bilinen bir örneğidir; demir metalin oksidasyonu sonucu oluşur . Yaygın pas genellikle aşağıdaki kimyasal reaksiyonda oluşan demir(III) oksidi ifade eder:
  • Bir asit varlığında hidrojen peroksit ile demir(II)'nin demir(III)'e oksidasyonu :
    Burada genel denklem, indirgeme denkleminin oksidasyon denkleminin iki katına eklenmesini içerir, böylece elektronlar birbirini götürür:

orantısızlık

Orantısızlaştırma reaksiyonu, tek bir maddenin hem oksitlendiği hem de indirgendiği reaksiyondur . Örneğin, +2 oksidasyon durumundaki kükürtlü tiyosülfat iyonu, asit varlığında elementel kükürt (oksidasyon durumu 0) ve kükürt dioksit (oksidasyon durumu +4) oluşturmak üzere reaksiyona girebilir.

S 2 O 3 2- + 2 H + → S + SO 2 + H 2 O

Böylece bir kükürt atomu +2'den 0'a indirgenirken, diğeri +2'den +4'e oksitlenir.

Endüstride redoks reaksiyonları

Katodik koruma , bir elektrokimyasal hücrenin katodu yaparak metal bir yüzeyin korozyonunu kontrol etmek için kullanılan bir tekniktir. Basit bir koruma yöntemi, korunan metali anot görevi görmesi için daha kolay aşınmış bir " kurban anoda " bağlar. Korunan metal yerine kurban metal, daha sonra korozyona uğrar. Katodik korumanın yaygın bir uygulaması, çelik parçalar üzerinde fedakar bir çinko kaplamanın onları paslanmaya karşı koruduğu galvanizli çeliktir.

Oksidasyon, temizlik ürünleri üretimi ve nitrik asit üretmek için oksitleyici amonyak üretimi gibi çok çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır .

Redoks reaksiyonları, elektrik enerjisi üretebilen veya elektrosentezi destekleyebilen elektrokimyasal hücrelerin temelidir . Metal cevherleri genellikle oksitler veya sülfürler gibi oksitlenmiş hallerde metaller içerir, bunlardan saf metaller bir indirgeyici madde varlığında yüksek sıcaklıkta eritme yoluyla çıkarılır. Elektro kaplama işlemi , krom kaplı otomotiv parçaları, gümüş kaplama çatal bıçak takımı , galvanizleme ve altın kaplama mücevherlerde olduğu gibi nesneleri ince bir malzeme tabakasıyla kaplamak için redoks reaksiyonlarını kullanır .

Biyolojide redoks reaksiyonları

Enzimatik esmerleşme , çoğu meyve ve sebzede meydana gelen redoks reaksiyonunun bir örneğidir.

Birçok önemli biyolojik süreç redoks reaksiyonlarını içerir. Bu işlemlerden bazılarının başlayabilmesi için demirin çevreden özümsenmesi gerekir.

Örneğin hücresel solunum , glikozun ( C6H12O6 ) C02'ye oksidasyonu ve oksijenin suya indirgenmesidir . _ _ Hücre solunumu için özet denklem:

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O

Hücre solunumu süreci ayrıca büyük ölçüde NAD+'nın NADH'ye indirgenmesine ve ters reaksiyona (NADH'nin NAD + 'a oksidasyonu ) bağlıdır. Fotosentez ve hücresel solunum birbirini tamamlayıcıdır, ancak fotosentez hücre solunumunda redoks reaksiyonunun tersi değildir:

6 CO 2 + 6 H 2 O + ışık enerjisi → C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

Biyolojik enerji sıklıkla depolanır ve redoks reaksiyonları yoluyla salınır. Fotosentez, karbondioksitin şekerlere indirgenmesini ve suyun moleküler oksijene oksidasyonunu içerir . Ters reaksiyon, solunum, karbondioksit ve su üretmek için şekerleri oksitler. Ara adımlar olarak, indirgenmiş karbon bileşikleri, nikotinamid adenin dinükleotidi (NAD + ) NADH'ye indirgemek için kullanılır, bu daha sonra adenosin trifosfat (ATP) sentezini yönlendiren bir proton gradyanının yaratılmasına katkıda bulunur ve indirgenmesiyle korunur. oksijen. Hayvan hücrelerinde mitokondri benzer işlevleri yerine getirir. Membran potansiyeli makalesine bakın .

Serbest radikal reaksiyonları, homeostazın bir parçası olarak meydana gelen ve mikroorganizmaları öldüren, bir elektronun bir molekülden ayrıldığı ve daha sonra neredeyse anında yeniden bağlandığı redoks reaksiyonlarıdır. Serbest radikaller redoks moleküllerinin bir parçasıdır ve redoks molekülüne veya bir antioksidana yeniden bağlanmazlarsa insan vücuduna zararlı hale gelebilirler . Tatmin edilmemiş serbest radikaller, karşılaştıkları hücrelerin mutasyonunu teşvik edebilir ve bu nedenle kanser nedenleridir.

Redoks durumu terimi genellikle hücre veya organ gibi biyolojik bir sistemdeki GSH/GSSG , NAD + /NADH ve NADP + /NADPH dengesini tanımlamak için kullanılır . Redoks durumu, birbirine dönüşümü bu oranlara bağlı olan birkaç metabolit setinin (örneğin, laktat ve piruvat , beta-hidroksibutirat ve asetoasetat ) dengesinde yansıtılır. Hipoksi , şok ve sepsis gibi çeşitli zararlı durumlarda anormal bir redoks durumu gelişebilir . Redoks mekanizması ayrıca bazı hücresel süreçleri kontrol eder. Redoks proteinleri ve genleri , DNA'nın mitokondri ve kloroplastlardaki işlevine ilişkin CoRR hipotezine göre redoks düzenlemesi için birlikte konumlandırılmalıdır.

Redoks döngüsü

Çok çeşitli aromatik bileşikler , ana bileşiklerden bir fazla elektron içeren serbest radikaller oluşturmak üzere enzimatik olarak indirgenir . Genel olarak elektron donörü, çok çeşitli flavoenzimlerden ve bunların koenzimlerinden herhangi biridir . Oluştuktan sonra, bu anyon serbest radikalleri moleküler oksijeni süperokside indirger ve değişmemiş ana bileşiği yeniden oluşturur. Net reaksiyon, flavoenzimin koenzimlerinin oksidasyonu ve moleküler oksijenin süperoksit oluşturmak üzere indirgenmesidir. Bu katalitik davranış, boş bir döngü veya redoks döngüsü olarak tanımlanmıştır .

Jeolojide redoks reaksiyonları

Třinec Iron and Steel Works , Çek Cumhuriyeti'nin yüksek fırınları

Mineraller genellikle metallerin oksitlenmiş türevleridir. Demir, manyetiti olarak çıkarılır (Fe 3 O 4 ). Titanyum, genellikle rutil (TiO 2 ) formunda dioksit olarak çıkarılır . Karşılık gelen metalleri elde etmek için, bu oksitlerin indirgenmesi gerekir, bu da genellikle bu oksitlerin indirgeyici maddeler olarak karbon veya karbon monoksit ile ısıtılmasıyla sağlanır. Yüksek fırınlar , erimiş demir üretmek için demir oksitler ve kok (bir tür karbon) birleştirildiği reaktörlerdir. Erimiş demiri üreten ana kimyasal reaksiyon:

Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2

Topraklarda redoks reaksiyonları

Elektron transfer reaksiyonları, topraktaki sayısız süreç ve özelliklerin merkezinde yer alır ve Eh (standart hidrojen elektrotuna göre platin elektrot potansiyeli (voltaj) veya pe (-log elektron aktivitesi olarak pH'a benzer) olarak ölçülen elektron "aktivitesi", pH ile birlikte kimyasal reaksiyonları ve biyolojik süreçleri kontrol eden ve yöneten bir ana değişken. Su basmış topraklara ve çeltik üretimine yönelik uygulamalarla yapılan erken teorik araştırmalar, topraklarda redoks ve bitki kök büyümesinin termodinamik yönleri üzerine sonraki çalışmalar için ufuk açıcıydı. Daha sonraki çalışmalar bu temel üzerine inşa edildi ve ağır metal oksidasyon durum değişiklikleri, pedojenez ve morfoloji, organik bileşik bozunması ve oluşumu, serbest radikal kimyası, sulak alan tanımlaması, toprak iyileştirme ve redoksun karakterize edilmesi için çeşitli metodolojik yaklaşımlar ile ilgili redoks reaksiyonlarını anlamak için onu genişletti. toprakların durumu.


anımsatıcılar

Redoksla ilgili anahtar terimler kafa karıştırıcı olabilir. Örneğin, oksitlenen bir reaktif elektron kaybeder; bununla birlikte, bu reaktife indirgeyici madde denir. Benzer şekilde, indirgenmiş bir reaktif elektron kazanır ve oksitleyici madde olarak adlandırılır. Bu anımsatıcılar , öğrenciler tarafından terminolojiyi ezberlemeye yardımcı olmak için yaygın olarak kullanılır:

  • " OIL RIG " — oksidasyon elektron kaybıdır , azalma elektron kazancıdır _ _ _
  • "Aslan LEO GER [ grr ] diyor" - elektron kaybı oksidasyondur , elektron kazancı ise azalmadır
  • "LEORA GEROA diyor" - elektron kaybına oksidasyon (indirgeyici ajan) denir; elektron kazanımına redüksiyon (oksitleyici ajan) denir.
  • "KIRMIZI CAT" ve "AN OX" veya "AnOx RedCat" ("bir öküz kırmızısı kedi") — indirgeme katotta gerçekleşir ve anot oksidasyon içindir
  • "KIRMIZI CAT, bir OX'in kaybettiğini kazanır" – katottaki azalma (elektronlar) anot oksidasyonunun kaybettiğini (elektronlar) kazanır
  • "PANİK" – Pozitif Anot ve Negatif Katottur. Bu , depolanan elektriği serbest bırakan ve elektrikle yeniden şarj edilebilen elektrolitik hücreler için geçerlidir. PANIC, redoks malzemeleriyle şarj edilebilen hücreler için geçerli değildir. Yakıt hücreleri gibi bu galvanik veya voltaik hücreler , dahili redoks reaksiyonlarından elektrik üretir. Burada pozitif elektrot katot, negatif elektrot ise anottur.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar