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

  1. Vapaan alkuaineen hapetusluku on nolla, myös alkuaineen useampi atomisissa molekyyleissä
  2. Yksiatomisen ionin hapetusluku on saman kuin sen ionivaraus
  3. Sähköisesti  neutraalissa molekyylissä atomien hapetuslukujen summa on nolla
  4. Moniatomisissa ioneissa hapetuslukujen summa on sama kuin ionin varaus
  5. Molekyylien elektronegatiivisemmalla atomilla on negatiivinen hapetusluku ja vähemmän elektronegatiivisella positiivinen hapetusluku
  6. Vedyn hapetusluku on yleensä +I. Poikkeuksen muodostavat eräät ionihydridit. Esim. NaH:ssa vedyn hapetusluku on –I
  7. 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
  1. Minimienergiaperiaate: Elektroni asettuu aina atomin energialtaan alimmalle orbitaalille.
  2. Hundin sääntö: orbitaaleille, joilla on sama energia, asettuu aina ensin vain yksi elektroni.
  3. 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
    1. hapettuva / pelkistyvä alkuaine
    2. happi, O - happi lisätään vetenä H2O, emäksisessä liuoksessa (yleensä mainittu) hydroksidina OH-
    3. vety, H - vety kirjataan vetyionina H+
    4. 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

2/5 KE4: Hapettuminen ja pelkistyminen

  • 2,009
Loading comments...

More from Opetus.tv