Opetus.tv PRO
Opetus.tv
KE4: Materiaalit ja teknologia 2/5
Hapettuminen ja pelkistyminen
Elektroninsiirtoreaktiot
Ryhmätehtävä
Mitä käsitteitä liittyy hapettumiseen ja pelkistymiseen sekä elektroniensiirtoreaktioihin?
Laatikaa lyhyet selitykset käsitteille.
Hapetus-pelkistysreaktiot
- Hapettuminen ja pelkistyminen:
- Kun alkuaine reaktion aikana luovuttaa elektroneja sen hapetusluku kasvaa eli alkuaine hapettuu.
- Kun alkuaineen vastaanottaessa elektroneja sen hapetusluku pienenee eli alkuaine pelkistyy.
-
Reaktiossa tapahtuu elektronien siirtymistä reagoivalta aineelta toiselle
- Elektroneja vastaanottava pelkistyy (hapetin)
- Elektroneja luovuttava hapettuu (pelkistin)
Hapetusluku
- Hapetusluku on puhtaasti laskennallinen apuväline.
- Se kuvaa kunkin alkuaineen laskennallista varausta tarkasteltavassa yhdisteessä, poikkeuksena orgaaniset yhdisteet
- Hapetusluvun määrittäminen – esim. Mg + 2 HCl
- Osareaktiot ja reaktioyhtälön kertoimet
Hapetusluvun määrittäminen
- Vapaan alkuaineen hapetusluku on nolla, myös alkuaineen useampi atomisissa molekyyleissä
- Yksiatomisen ionin hapetusluku on saman kuin sen ionivaraus
- Sähköisesti neutraalissa molekyylissä atomien hapetuslukujen summa on nolla
- Moniatomisissa ioneissa hapetuslukujen summa on sama kuin ionin varaus
- Molekyylien elektronegatiivisemmalla atomilla on negatiivinen hapetusluku ja vähemmän elektronegatiivisella positiivinen hapetusluku
- Vedyn hapetusluku on yleensä +I. Poikkeuksen muodostavat eräät ionihydridit. Esim. NaH:ssa vedyn hapetusluku on –I
- Hapen hapetusluku on yleensä –II. Poikkeuksen muodostavat OF2 (hapetusluku on +II) ja peroksidit (esim. H2O2, jossa hapen hapetusluku on –I)
Elektronien energiatasot
- Nykyaikainen tapa merkitä elektronit ja niiden keskinäiset energiaero (tasot)
- Hapetusluku ja orbitaaliteoria
- Minimienergiaperiaate: Elektroni asettuu aina atomin energialtaan alimmalle orbitaalille.
- Hundin sääntö: orbitaaleille, joilla on sama energia, asettuu aina ensin vain yksi elektroni.
- Paulin kieltosääntö: Samalle orbitaalille ei voi asettua enempää kuin kaksi elektronia.
Elektronirakenteen kirjoittaminen
1s
2s
3s
4s
5s
2p
3p
4p
5p
3d
4d
5d
4f
5f
Tapaus: Raudan hapetusluvut
- Raudan oksidit musta ferro-oksidi FeO, punainen malmi ferrioksidi eli hematiitti Fe2O3, musta malmi magnetiitti Fe3O4 (seos)
| Raudan hapetusluku | Miksi? |
|---|---|
| +II | Puolimiehitys 4s:llä ja 3d:llä |
| +III | tyhjä 4s ja puolimiehitys 3d:llä |
Tehtävä: Kloorin hapetusluvut
Avaa ptable.com ja tutustu sen avulla kloorin elektronirakenteeseen ja hapetuslukuihin. Selitä elektronirakenteen avulla, miksi kloori saa kunkin hapetusluvuistaan.
Tapaus: Kloorin hapetusluvut
\text{ClO}_2^-
\text{ClO}_3^-
\text{ClO}_4^-
| Yhdistetyyppi | Kloorin hapetusluku | Miksi? |
|---|---|---|
| Kloridit (esim. HCl) | ||
| Kloraatit | ||
| Kloriitit | ||
| Perkloraatit |
-I
+III
+V
+VII
3p-orbitaalit täyttyvät
luovutettu kaikki p-orbitaalin elektronit
jokaiselle 3-tason orbitaalilla jää puolimiehitys
tyhjä 3. energiataso
Reaktioyhtälön kertoimien määrittäminen
-
lähtöaineet kirjataan yhtälön vasemmalle puolelle ja lopputuotteet yhtälön oikealle puolelle.
- Esimerkiksi H2 + O2 ➞ H2O
- kaasut tulee merkitä reaktioyhtälöön molekyyleinä
- kunkin alkuaineen atomeja tulee olla yhtä monta sekä lähtöaineissa että lopputuotteissa
-
ainemäärät tasapainotetaan lisäämällä kemiallisten kaavojen eteen kokonaislukukertoimia
- Esimerkiksi 2 H2 + O2 ➞ 2 H2O
-
jatkossa pyritään kirjaamaan myös aineiden olomuodot
- Esimerkiksi 2 H2 (g) + O2 (g)➞ 2 H2O (l), jos lämpötila alle 100C
Hapetuslukumenetelmä
- Tärkeää tunnistaa ne alkuaineet, jotka hapettuvat ja pelkistyvät ➞ ns. osareaktiomenetelmä, hapettumisen ja sitten pelkistymisen osareaktiot
- Lopuksi ne yhdistetään, jolloin ylimääräiset yhdisteet "supistuvat" pois lopullisesta reaktioyhtälöstä
-
Osareaktion rakentaminen tapahtuu neljässä vaiheessa, tasapainotetaan
- hapettuva / pelkistyvä alkuaine
- happi, O - happi lisätään vetenä H2O, emäksisessä liuoksessa (yleensä mainittu) hydroksidina OH-
- vety, H - vety kirjataan vetyionina H+
- varaus, e-, elektronit lisätään hapettumisreaktion ollessa kyseessä reaktiotuotteisiin (hapettuessa hapetusluku kasvaa eli elektroneja vapautuu), pelkistymisreaktion tapauksessa lähtöaineisiin (pelkistyessä hapetusluku pienenee eli sitoutuu elektroneja)
Tehtävä: Mitkä seuraavista reaktioista ovat hapetus-pelkistysreaktioita? Perustele.
Ratkaisu.
Vihje: Muuttuuko hapetusluku?
Hapetus-pelkistysreaktioita:
c) Ca: 0 → +II, F: 0 → -I
e) Ba: 0 → +II, H: +I → 0
Muita reaktioita:
a) suolan muodostuminen
b) kompleksin muodostuminen
d) protolysoituminen
Esimerkki
Vetyperoksidin laimea vesiliuos on tavallinen desinfioimisaine. Vetyperoksidin määrä voidaan määrittää titraamalla happamaksi tehty liuos permanganaatti-ioneilla.
Mikä oli vetyperoksidin pitoisuus (g/l) liuoksessa, kun 5,0 ml:n näyte kulutti 20,0 ml 0,10 M permanganaattiloiuosta?
H_2O_2(aq)+MnO_4^-(aq)+H^+(aq) \rightarrow O_2(g)+Mn^{2+}(aq)+H_2O(l)
Ratkaisu
\text{m}(H_2O_2)=?
V(H_2O_2)=5,\!0 \text{ ml} = 0,\!005 \text{ l}
V(MnO_4^-)=20,\!0\text{ ml}= 0,\!020 \text{ l}
{{n(H_2O_2)}\over{n(MnO_4^-)}}=\frac{5}{2}
c(MnO_4^-)=0,\!10\text{ M}
5 \ H_2O_2(aq)+2 \ MnO_4^-(aq)+6\ H^+(aq) \rightarrow 5\ O_2(g)+2\ Mn^{2+}(aq)+8\ H_2O(l)
n(H_2O_2)=\frac{5}{2}n(MnO_4^-)
n(MnO_4^-)=c(MnO_4^-)\cdot V(MnO_4^-)
=0,\!10\text{ M}\cdot 0,\!020\text{ l}
=0,\!0020\text{ mol}
1) Lasketaan permanganaatin ainemäärä.
2) Lasketaan vetyperoksidin ainemäärä.
M(H_2O_2)=34,\!016\ \frac{\text{ g}}{\text{ mol}}
n(H_2O_2)=\frac{5}{2}\cdot n(MnO_4^-)
=\frac{5}{2}\cdot 0,\!0020\text{ mol}
=0,\!005 \text{ mol}
c=\frac{n}{V}
3) Lasketaan vetyperoksidin massa.
m(H_2O_2)=n(H_2O_2)\cdot M(H_2O_2)
=0,\!005\text{ mol}\cdot 34,\!016\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}
=0,\!17008\ \text{ g}
4) Lasketaan vetyperoksidin pitoisuus.
{m(H_2O_2)\over{V(H_2O_2)}}={0,17008\text{ g}\over 0,005\text{ l}}=34,\!016\ \frac{g}{l}
Vastaus: Vetyperoksidin pitoisuus on n. 34 g/l
n=\frac{m}{M}
2/5 KE4: Hapettuminen ja pelkistyminen
By Opetus.tv
