REDOXNÍ CHEMIE 2022 Tomáš Pelikán (484772) Redoxní chemie Mezi pět hlavních typů chemických mechanizmů, které se zaměřují na reakce realizované přesunem elektronů mezi látkami, se řadí i takzvaná redoxní chemie. • Redoxní chemie • Fotochemie • Lewisovy kyseliny a báze • Chemie radikálů • Chemie diradikálů • Redoxní chemie se zabývá zkoumáním oxidačních a redukčních reakcí. Chování takovýchto reakcí lze popsat zjednodušenou definicí: Oxidace je ztráta elektronů a redukce je zisk elektronů. Tomáš Pelikán (484772) Úvod do redoxní chemie Redoxní chemie se zabývá přesunem elektronů a soustředí se především na tok elektronů, který putuje k a od definovaného centra redoxní reakce. Takovýmto centrem může být atom, ion, molekula, molekulární ion nebo určitý atom nebo funkční skupina ve složitější sloučenině. oxidační chemie struktury 1.jpg 1 oprava.jpg Tomáš Pelikán (484772) Úvod do redoxní chemie O definovaném centru lze říci, že je oxidované, pokud se elektronová hustota během reakce snižuje. Pokud se elektronová hustota během reakce kolem definovaného centra zvyšuje, říkáme o něm, že je redukované. Ztráta elektronů = OXIDACE Zisk elektronů = REDUKCE Tomáš Pelikán (484772) Úvod do redoxní chemie Obecná rovnice oxidační a redukční reakce: Při reakci směřující doprava se z kationtu M+ stává neutrální atom. Dochází k tomu kvůli přijetí elektronu e-, který redukuje kationt a snižuje jeho oxidační číslo. Při reakci na levou stranu se naopak neutrální atom M0 zbavuje jednoho ze svých elektronů e-, což má za důsledek zvýšení oxidačního čísla. ox ch struktura 2 M oprava.jpg oprava.jpg Tomáš Pelikán (484772) Oxidační číslo Oxidační stav je číselný údaj, který nám dává informaci o tom, jaký elementární náboj by atom získal, pokud by došlo k plné polarizace všech jeho vazeb. Oxidační číslo není tedy skutečným nábojem, protože polarizace není dokonalá. Při jeho určování to ovšem pomíjíme a elektrony přidělujeme k elektronegativnějším prvkům. Jeho hodnota se pohybuje od kladných čísel přes nulu, až po záporné. • FeIII • Au0 • OII- Atomy, které se vyskytují ve své elementární formě, mají oxidační stupeň 0. Pro jednoatomové prvky platí, že se jejich oxidační číslo rovná náboji, protože nedochází ke konfrontaci s jiným prvek s odlišnou elektropozitivitou. Tomáš Pelikán (484772) Změna oxidačního čísla Změnu oxidačního čísla lze provádět dvěma způsoby: Prvním způsobem je přenos samostatného elektronu (Single Electron Transfer – SET). Tento elektron je převeden do definovaného centra – dochází tedy k redukci. Pokud je elektron naopak odebrán z definovaného centra – dochází k oxidaci. Například kationt železa Fe3+ lze redukovat přidáním elektronu na Fe2+. Tato reakce může probíhat i směrem oxidace. ox ch struktura 2 Fe oprava.jpg Tomáš Pelikán (484772) Změna oxidačního čísla Elektron, který se podílí na redukční reakci – putuje do definovaného centra, je dodáván do reakce redukčním činidlem nebo za pomoci elektrochemie. ox ch struktura 4.jpg Tomáš Pelikán (484772) Změna oxidačního čísla Druhou metodou, jak změnit oxidační číslo je polarizace vazby. Polarizace vazby je způsobena mírou schopnosti prvku přitáhnout elektron k sobě. Elektropozitivita – schopnost prvku odtrhnout elektron ve vnější valenční vrstvě (uvolňuje se tedy valenční elektron). Za elektropozitivní prvek tedy považujeme prvek takový, který velmi ochotně předává svůj valenční elektron a tvoří kation. Schopnost prvků k takovému chování klesá v periodě (kovový charakter), ale zvyšuje se pro prvky s větším poloměrem atomu. Elektronegativita je pojem, který vyjadřuje stejnou schopnost, pouze z opačné strany. Elektronegativním prvek tedy označujeme takový, který velmi neochotně svoje valenční elektrony odevzdává a naopak velmi rád přijímá za tvorby aniontů. Tomáš Pelikán (484772) Změna oxidačního čísla Polaritu vazeb a distribuce elektronů v jejím důsledku lze ukázat na následujícím příkladě. V molekule metanu CH4 jsou celkově 4 vazby. Elektrony těchto vazeb jsou blíže centrálnímu uhlíku, protože je méně elektropozitivní (více elektronegativní) než vodík. Přitahuje je tedy k sobě a má oxidační číslo -4. V druhé molekule oxidu uhličitého CO2 jsou vazby dvě dvojné – počet elektronů je tedy zachován. Rozdíl je ovšem v elektropozitivitě ve vztahu ke kyslíku tentokrát takový, že uhlík je více elektropozitivní než kyslík, tudíž jsou elektrony přitahovány kyslíkem. Uhlík má v tomto případě oxidační číslo +4. ox ch struktura 5 znovu oprava.jpg Tomáš Pelikán (484772) Změna oxidačního čísla Některé prvky mají schopnost existence ve více oxidačních stavech. Již zmíněný uhlík nabývá různých oxidačních stavů například v těchto strukturách: ox ch struktura 7 znovu.jpg oprava oprava.jpg Tomáš Pelikán (484772) Změna oxidačního čísla Oxidační stupně uhlíku ve vybraných sloučeninách: ox ch struktura 10.jpg Tomáš Pelikán (484772) Změna oxidačního čísla Přeměna metanu na oxid uhličitý je oxidací, protože dochází ke zvyšování oxidačního stavu (z -4 na +4). Kyslík je v reakci oxidačním činidlem. ox ch struktura 7 znovu jiná.jpg oprava.jpg Tomáš Pelikán (484772) Základní typy redoxních reakcí ox ch struktura 8.jpg Tomáš Pelikán (484772) Redoxní reakce Al0(s) + Cu2+(l) Al3+(l) + Cu0(s) Cu2+(l) Cu0(s) Cu2+(l) + 2 e- Cu0(s) Al0(s) Al3+(l) Al0(s) – 3 e- Al3+(l) Celková reakce: Poloreakce: Z poloreakcí lze jednodušeji vyčíst změny v oxidačních stavech mezi reaktanty. V tomto případě je Al redukčním činidlem a Cu oxidačním činidlem. Tomáš Pelikán (484772) Funkce oxidačních činidel na sebe a okolí Oxidační činidlo → svůj vlastní oxidační stav snižuje a ostatním reaktantům zvyšuje! Redukční činidlo → svůj vlastní oxidační stav zvyšuje a ostatním reaktantům redukuje! Tomáš Pelikán (484772) Seznam zdrojů • Benešová, M., Pfeiferová, E., & Satrapová, H. (c2014). Odmaturuj! z chemie. Nakladatelství DIDAKTIS spol. s.r.o. • Blažek, J., & Fabini, J. (1999). Chemie pro studijní obory SOŠ a SOU nechemického zaměření. Praha: SPN – pedagogické nakladatelství. • Flemr, V., & Dušek, B. (2001). Chemie pro gymnázia. Praha: SPN – pedagogické nakladatelství. • Leach, R. M. (1999). The Chemogenesis Web Book. The Chemogenesis Web Book | Title Page (meta-synthesis.com) • Straka, P. (1995). Obecná chemie. Litomyšl: Paseka. • Šrámek, V. (2000). Obecná a anorganická chemie. Nakladatelství Olomouc. •McMurry, J. (1998). Fundamentals of organic chemismy (4th ed.). Pacific Grove: Brooks/Cole publishing company. • Solomons, T. W. G. (1992). Organic chemismy (5th ed.). New York: John Wiley & Sons. • Orchin, M. (1986). Organická chemie: příruční naučný slovník. Praha: Státní nakladatelství technické literatury. • Kratochvíl, M., Potáček, M., & Šibor, J. (2004). Principy a modely organické chemie I (1. vyd.). Brno: Masarykova univerzita. • Kratochvíl, M., Potáček, M., & Šibor, J. (2004). Principy a modely organické chemie I (1. vyd.). Brno: Masarykova univerzita. Tomáš Pelikán (484772)