Hogyan lehet eldönteni, hogy melyik a protolitikus és melyik redoxi reakció?

"Azt tudom, hogy a protolitikus (sav-bázis) protonátmenettel járó reakció, a redoxi pedig elektronátmenettel"

Az nagyon frappánsan hangzik, de az egyik legkevésbé hasznos mondat a reakció típusok felfogásához. Tipikus Magyar Nemzethy Tanterv készítők találták ki, nehogy véletlenül a diákban kialakuljon a kémiai szemlélet.

Na, szóval, mi az a sav meg bázis?

A víz képlete ugye H2O. De a normál vízben nem úgy létezik, hogy egymástól független H2O molekulák mozognak ide-oda, hanem úgynevezett klaszterekbe áll össze. Ezek kb. 5-10 vízmolekulából álló csoportok (persze van több és kevesebb is, csak ezek a domináns számok), amiket belső hidrogénkötések tartanak össze. Ezek folyamatosan keletkeznek, bomlanak, cserélődnek. Folyamatosan új víz molekulák lépnek be a klaszterbe, és régiek lépnek ki. Vannak semleges és ionizált klaszterek is.

Amikor egy savas reakcióban valaki azt írja, hogy H+ vagy OH-, azok nem szabadon úszkáló H+ és OH- ionok, hanem töltéssel rendelkező víz klasztereket jelképeznek. Amikor arról beszélünk, hogy valami savas vagy bázikus, igazából arról beszélünk, hogy a pozitívan vagy negatívan töltött víz klaszterek dominánsak-e a vízben.

Sav és bázis alapszinten egy vízzel kapcsolatos dolog.

H2O = víz (semleges vízklaszter formában)

H+ = víz (pozitív töltésű vízklaszter formában)

OH- = víz (negatív töltésű vízklaszter formában)

Persze lehet definiálni nemvizes közegben is, de ezzel a te szinteden nem érdemes foglalkozni. Ha valami pozitív vagy negatív vízklasztereket generál, az sav vagy bázis. Sav-bázis reakció az, ami ezzel kapcsolatos. Töltött vízklasztereket hoz létre, vagy szüntet meg:

Pl.

NaOH -> Na+(aq) + OH-(aq)

A felszabaduló OH- negatívan töltött vízklasztereket generál. Az (aq) azt jelöli, hogy vízben oldott formában jönnek létre a reakciótermékek.

NaOH + HCl -> NaCl + H2O

Itt a valós reakció az, hogy:

Na+(aq) + Cl-(aq) + [negatív vízklaszter] + [pozitív vízklaszter]

->

Na+(aq) + Cl-(aq) + [semleges vízklaszterek]

Az Na+ és Cl- nem változik. A vízklaszterek töltése változik. Az a lényeg.

Szóval ha egy reakcióban H+ vagy OH- van, és ezek száma vagy aránya változik, az sav-bázis reakció. Azért, mert ezek a jelölések jelölik a különböző töltésű vízklasztereket, amiknek a megváltozása az egész sav-bázis kémia alapja.

Megjegyzés1: H+ helyett használnak H3O+ jelölést is. Ugyanazt jelenti, nincs jelentősége melyiket használod, csak aszerint kell rendezni a reakció két oldalát.

Megjegyzés2: H+ -t nevezik úgy, hogy "proton". Ezt gyorsan ki lehet mondani, de nem igaz. A szabad proton instabil. A H+ nem egy szabad proton. Hanem egy pozitív töltésű vízklaszter egyszerűsített jelölése.

Na, mi az a redox reakció?

Van olyan, hogy oxidációs szám. Redox egyenlet az, ahol az oxidációs szám változik. De mi az az oxidációs szám???

Példa: vannak ionvegyületek, mint az NaCl. Ez pozitív töltésű Na+ és negatív töltésű Cl- ionokból áll. Az Na +1-es töltésű, és ennek megfelelően +1-es oxidációs számú, a Cl pedig nyilván -1.

Az oxidációs szám valami olyasmit jelent, hogy ha az adott vegyület ionos lenne, akkor mennyi lenne a töltése benne egy adott atomnak.

Ott a H2O. Most tekintsünk el a klaszterektől, csak H2O. Ha ez ionvegyület lenne, akkor milyen lenne? Az O-nek 2 elektronja hiányzik, elektronokat akar felvenni, a H-nek pedig egy extra elektronja van, le akarja adni. Ez a hipotetikus ionvegyület tehát O(2-) és H+ ionokból állna. Ennek megfelelően az O oxidációs száma -2, a H pedig +1.

Az oxidációs számok összege mindig egyenlő a vegyület vagy összetett ion töltésével.

Pl. H2O esetén a töltés 0, az oxidációs számok összege így 0.

H=+1, O=-2. 2*(+1)+(-2)=0

H3O+ esetén az oxidációs számok összege +1

H=+1, O=-2. 3*(+1)+(-2)=+1

Akkor redox valami, ha valamelyik ELEM oxidációs száma változik!!!

Pl. H2O + H+ -> H3O+ az NEM redox, mert a H=+1, O=-2 mindkét oldalon.

Egy másik módja az oxidációs szám/oxidációs állapot értelmezésének:

Rajzold fel a molekulát, úgy hogy a szokásos kis vonalakkal jelölöd a kovalens kötéseket. Rajzolj minden kovalens kötés végére egy kis nyilacskát. A nyilacska mindig arra mutasson, amerre az elektronok menni akarnak. Ha nem tudod merre akarnak menni: mindig a nagyobb elektronegativitású elem felé.

Szóval felrajzolod a nyilacskákat, és megszámolod, hogy melyik atom felé hány nyilacska mutat. Minden nyilacskáért, ami "befelé" mutat a vizsgált atomod felé, -1-et adsz az oxidációs számához. Minden nyilacskáért, ami "kifelé" mutat, +1-et adsz hozzá.

Na, szóval ez az oxidációs szám, és ennek a változása a redox reakció. Ha bármelyik atom körül nyilak jönnek létre, szűnnek meg, vagy fordul az irányuk, vagy akármi, lényeg hogy az összegük megváltozik -> redox reakció.

Pl.

2 H2 + O2 -> 2 H2O

A H2-ben nem polarizált a kötés, semerre nem tudsz nyilat felrajzolni, tehát a H oxidációs száma 0. Az O2 esetén ugyanaz. Ha valami csak egyfajta atomot tartalmaz, az mindig 0.

A H2O esetén viszont már polarizált a kötés, az O felé 2 nyíl mutat befelé, a H-től pedig 1 nyíl mutat kifelé. Változott az atomok polarizáltsága, azaz változott az oxidációs szám, azaz redox reakcióról beszélünk.

Ami nyilakat generál maga felé, tehát elvesz elektront/negatívan polarizálódik, az csökkenti a saját oxidációs számát, így növeli más anyagok oxidációs számát. Pl. az oxigén. Ezt oxidálószernek nevezzük, mert a reakciópartnerét oxidálja. Úgy könnyű megjegyezni, hogy:

Az oxigén az oxidálja a partnerét, mert egy oxidálószer.

És akkor nem fogod összekeverni az irányokat.

Ami más atomok felé generál nyilakat, tehát leadja az elektronját/pozitívan polarizálódik, azt pedig redukálószernek nevezzük, pl. H és a legtöbb fém.

Hogy tudod könnyen látni, hogy valami redox reakció?

- Ha valamilyen atomhoz kapcsolódó H vagy O atomok száma változott, az jó eséllyel redox.

- Ha valamilyen reaktáns elemi állapotból indult, és vegyületben van a reakció végére, az jó eséllyel redox

- Ha nem tudod, akkor kezdd el rajzolgatni a nyilakat minden atom köré. Idővel elhagyhatod a nyilakat, és egyszerűen ránézésre tudod mindennek az oxidációs számát. Onnantól pedig csak végig kell menni az oxidációs számokon, hogy változik-e valamelyik.

A redox reakciók az igazából maga a kémia. Sav-bázis csak azért fontos, mert mindenhol víz van körülöttünk. Igazából elég mélyen bele kell menni a szerves kémiába, hogy az ember megértse, miért kell sav-bázis reakciókról tanulni, azon felül hogy nem jó sósavat inni.

A redox reakciók viszont mindenhol ott vannak. Az egész kémia hajtóereje a polarizáció, és annak a leírására valók a redox reakciók.

Megjegyzés: sokszor fogsz hallani arról, hogy egy vegyület stabil vagy instabil. Ez azt jelenti, hogy minden atom a számára ideális oxidációs állapotban van. Pl. a H-nél a +1 az ideális, O esetén -2. Azért van tele minden vízzel, és nem mondjuk H2O2-vel (hidrogén-peroxid), mert a víz stabil. Mert a H és az O is ideális oxidációs állapotban vannak benne.

Ezek az ideális oxidációs fokok:

1. főcsoportnak +1

2. főcsoportnak +2

Az átmeneti fémeknek: +1/+2/+3, bonyolult...)

3. főcsoport +3

4. főcsoport -4

5. főcsoport -3

6. főcsoport -2

7. főcsoport -1

8. főcsoport 0

Persze ez baromi nagy leegyszerűsítés, ami nem mindig igaz! De láthatod, hogy a korábbi, ionokhoz való hasonlításnak van alapja. Amilyen ion képződne egy atomból a nemesgáz szerkezet elérése érdekében, az az ideális polarizációja, ott lesz stabil.

Ha megnézed a leggyakoribb anyagokat a Földön, minden ideális oxidációs fokon van, kivéve egyet.

H2O, SiO2 (homok), CaCO3 (mészkő), CO2, stb.

A kivétel az O2. Az O2 egy instabil molekula, aminek nem szabadna ilyen tömegben léteznie. Neki -2 az ideális állapota, nem a 0. Azért van belőle ilyen sok, mert a növények folyamatosan újratermelik. Ha találunk egy bolygót, ahol nagy mennyiségben O2 van, az csak azért lehet, mert valami mesterségesen előállította.