⚡

Αριθμός Οξείδωσης – Οξείδωση & Αναγωγή

Κανόνες Α.Ο., ορισμοί οξείδωσης–αναγωγής

Τι κοινό έχουν η σκουριά και η μπαταρία του κινητού σου;

Ένα καρφί σκουριάζει στη βροχή. Η μπαταρία του κινητού σου δίνει ρεύμα. Ένα πυροτέχνημα σκάει στον ουρανό. Και στα τρία συμβαίνει το ίδιο πράγμα: ηλεκτρόνια περνούν από ένα άτομο σε ένα άλλο. Ο αριθμός οξείδωσης είναι το «λογιστικό βιβλίο» που σου δείχνει ποιος έχασε και ποιος κέρδισε — και είναι το κλειδί για όλο το 1ο κεφάλαιο των Πανελλαδικών.

Τι είναι ο αριθμός οξείδωσης

Ο αριθμός οξείδωσης (Α.Ο.) ενός ατόμου είναι το πραγματικό φορτίο του στις ιοντικές ενώσεις ή το φαινομενικό φορτίο που θα αποκτούσε στις ομοιοπολικές, αν τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων αποδίδονταν ολόκληρα στο ηλεκτραρνητικότερο άτομο.

Πρακτικοί κανόνες (με αυτή τη σειρά προτεραιότητας):

Ελεύθερα στοιχεία ( $O_2$ , $Fe$ , $S_8$ ): Α.Ο. = 0
Μονοατομικά ιόντα: Α.Ο. = το φορτίο τους ( $Ca^{2+} \to +2$ )
F: πάντα $-1$ στις ενώσεις του
O: $-2$ (εξαιρέσεις: υπεροξείδια όπως $H_2O_2 \to -1$ , ένωση $OF_2 \to +2$ )
H: $+1$ (εξαίρεση: υδρίδια μετάλλων όπως $NaH \to -1$ )
Αλκάλια ( $Na, K$ ): $+1$ , αλκαλικές γαίες ( $Mg, Ca$ ): $+2$ , $Al$ : $+3$

Ήξερες ότι;

Η λέξη «οξείδωση» βγαίνει από το οξυγόνο: αρχικά σήμαινε απλώς «ένωση με οξυγόνο», όπως στο σκούριασμα του σιδήρου ή στην καύση. Ο σύγχρονος ορισμός (αύξηση του Α.Ο.) είναι πολύ ευρύτερος — γι' αυτό στην $2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$ το νάτριο οξειδώνεται χωρίς να «δει» ούτε ένα άτομο οξυγόνου.

$\text{Σε ένωση: } \Sigma(\text{Α.Ο.}) = 0 \qquad \text{Σε πολυατομικό ιόν: } \Sigma(\text{Α.Ο.}) = \text{φορτίο ιόντος}$

Ζύγισε τα φορτία μιας ένωσης: τοποθέτησε τους γνωστούς Α.Ο. στη μια πλευρά και δες ότι ο άγνωστος Α.Ο. παίρνει ακριβώς την τιμή που μηδενίζει το συνολικό άθροισμα — έτσι «λύνεις» κάθε Α.Ο. σαν εξίσωση.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιος είναι ο αριθμός οξείδωσης του $C$ στη μεθανάλη $HCHO$ ;

Οξείδωση και αναγωγή

Με βάση τον Α.Ο. δίνουμε τους σύγχρονους ορισμούς:

Οξείδωση: η αλγεβρική αύξηση του Α.Ο. ατόμου ή ιόντος (αποβολή ηλεκτρονίων)
Αναγωγή: η αλγεβρική μείωση του Α.Ο. (πρόσληψη ηλεκτρονίων)

Τα δύο φαινόμενα συμβαίνουν πάντα ταυτόχρονα — γι' αυτό μιλάμε για αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Το σώμα που περιέχει το άτομο που ανάγεται λέγεται οξειδωτικό (προκαλεί οξείδωση), ενώ αυτό που περιέχει το άτομο που οξειδώνεται λέγεται αναγωγικό (προκαλεί αναγωγή).

Κόλπο μνήμης

Σκέψου τα ηλεκτρόνια σαν αρνητικούς πόντους. Όποιος παίρνει ηλεκτρόνια φορτώνεται «μείον» και ο Α.Ο. του πέφτει → αναγωγή. Όποιος δίνει ηλεκτρόνια ξεφορτώνεται «μείον» και ο Α.Ο. του ανεβαίνει → οξείδωση. Και οι ρόλοι είναι «ανάποδα» από το πάθημα: όποιος ανάγεται είναι το οξειδωτικό.

Α.Ο. στις οργανικές ενώσεις και αυτοοξειδοαναγωγή

Στις οργανικές ενώσεις ο άνθρακας δεν έχει «σταθερό» Α.Ο. — τον βρίσκουμε κάθε φορά από το άθροισμα. Η σειρά μεθανόλη → μεθανάλη → μεθανικό οξύ → $CO_2$ είναι μια σκάλα οξείδωσης:

$CH_3OH$ : $C = -2$ , $\quad HCHO$ : $C = 0$ , $\quad HCOOH$ : $C = +2$ , $\quad CO_2$ : $C = +4$

Κάθε «σκαλοπάτι» (προσθήκη ενός $O$ ή αφαίρεση δύο $H$ ) ανεβάζει τον Α.Ο. του άνθρακα κατά 2.

Αυτοοξειδοαναγωγή: το ίδιο στοιχείο, από την ίδια ουσία, άλλοτε οξειδώνεται και άλλοτε ανάγεται. Παράδειγμα:

$Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$

Το $Cl$ πηγαίνει από $0$ σε $-1$ (στο $NaCl$ , αναγωγή) και σε $+1$ (στο $NaClO$ , οξείδωση). Το $Cl_2$ είναι ταυτόχρονα οξειδωτικό και αναγωγικό.

Δεν είναι κάθε αντίδραση οξειδοαναγωγική: στην εξουδετέρωση ( $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$ ), στις αντιδράσεις διπλής αντικατάστασης και σε διασπάσεις όπως $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$ κανένας Α.Ο. δεν αλλάζει.

Μέθοδος: εύρεση Α.Ο. και χαρακτηρισμός αντίδρασης

Γράψε πρώτα τους «σίγουρους» Α.Ο. με τη σειρά προτεραιότητας: ελεύθερο στοιχείο → μονοατομικό ιόν → $F$ → αλκάλια/αλκαλικές γαίες/ $Al$ → $H$ → $O$ .
Βάλε $x$ για το άγνωστο άτομο, πολλαπλασίασε κάθε Α.Ο. με τον δείκτη του και γράψε $\Sigma = 0$ (ένωση) ή $\Sigma =$ φορτίο (ιόν).
Για να χαρακτηρίσεις μια αντίδραση, σύγκρινε τον Α.Ο. κάθε στοιχείου αριστερά και δεξιά.
Αύξηση Α.Ο. = οξείδωση (αυτό το σώμα είναι το αναγωγικό)· μείωση = αναγωγή (αυτό είναι το οξειδωτικό). Αν δεν αλλάζει κανένας Α.Ο., η αντίδραση δεν είναι οξειδοαναγωγή.

Άσκηση: Να βρεθούν οι Α.Ο.: (α) του $S$ στο $H_2SO_4$ , (β) του $Cr$ στο $Cr_2O_7^{2-}$ , (γ) ποιο σώμα οξειδώνεται και ποιο ανάγεται στην $Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$ .

Λύση:

(α) $2(+1) + x + 4(-2) = 0 \Rightarrow x = +6$

(β) $2x + 7(-2) = -2 \Rightarrow x = +6$

(γ) Ο $Zn$ πηγαίνει από $0$ σε $+2$ (οξειδώνεται, είναι το αναγωγικό), ενώ ο $Cu$ από $+2$ σε $0$ (ανάγεται, το $CuSO_4$ είναι το οξειδωτικό). Τα $SO_4^{2-}$ μένουν αμετάβλητα — είναι «θεατές».

Άσκηση: Να βρεθεί ο Α.Ο. του $N$ στο $NH_4^+$ , στο $NO_3^-$ και στο $NH_4NO_3$ .

Λύση:

$NH_4^+$ : $x + 4(+1) = +1 \Rightarrow x = -3$
$NO_3^-$ : $x + 3(-2) = -1 \Rightarrow x = +5$
$NH_4NO_3$ : η ένωση αποτελείται από τα ιόντα $NH_4^+$ και $NO_3^-$ , άρα περιέχει δύο άτομα $N$ με διαφορετικούς Α.Ο.: $-3$ και $+5$ .

Προσοχή: αν έλυνες «στα τυφλά» $2x + 4(+1) + 3(-2) = 0$ , θα έβρισκες $x = +1$ — έναν μέσο όρο που δεν αντιστοιχεί σε κανένα πραγματικό άτομο. Όταν μια ένωση «σπάει» σε γνωστά ιόντα, δούλεψε με το κάθε ιόν χωριστά.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιος είναι ο αριθμός οξείδωσης του $Mn$ στο $KMnO_4$ ;

Θέμα τύπου Πανελλαδικών: Δίνονται οι αντιδράσεις:

(1) $Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$

(2) $NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$

(3) $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$

Δεδομένα: οι τρεις χημικές εξισώσεις.

Ζητούμενο: ποιες είναι οξειδοαναγωγικές, και σε αυτές ποιο είναι το οξειδωτικό και ποιο το αναγωγικό.

Λύση:

(1) $Cl$ : $0 \to -1$ (στο $NaCl$ ) και $0 \to +1$ (στο $NaClO$ ). Οι Α.Ο. των $Na$ , $O$ , $H$ δεν αλλάζουν. Οξειδοαναγωγή — και μάλιστα αυτοοξειδοαναγωγή.

(2) $Na: +1$ , $O: -2$ , $H: +1$ , $Cl: -1$ και στις δύο πλευρές. Κανένας Α.Ο. δεν αλλάζει — όχι οξειδοαναγωγή (εξουδετέρωση).

(3) Στο $H_2O_2$ το $O$ έχει $-1$ · γίνεται $-2$ στο $H_2O$ (αναγωγή) και $0$ στο $O_2$ (οξείδωση). Επίσης αυτοοξειδοαναγωγή.

Απάντηση: Οξειδοαναγωγικές οι (1) και (3). Στην (1) το $Cl_2$ και στην (3) το $H_2O_2$ δρουν ταυτόχρονα ως οξειδωτικό και αναγωγικό. Η (2) είναι απλή εξουδετέρωση.

Γρήγορος έλεγχος

Στην αντίδραση $2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$ , το $Cl_2$ :

Γρήγορος έλεγχος

Ποια από τις παρακάτω αντιδράσεις δεν είναι οξειδοαναγωγική;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιος είναι ο αριθμός οξείδωσης του $S$ στο ιόν $S_2O_3^{2-}$ ;

Χρυσός κανόνας που μπερδεύει πολλούς: το οξειδωτικό ανάγεται και το αναγωγικό οξειδώνεται! Και πρόσεχε τις δύο κλασικές «παγίδες» των Πανελληνίων: $H_2O_2$ (το $O$ έχει $-1$ , όχι $-2$ ) και υδρίδια μετάλλων όπως $NaH$ (το $H$ έχει $-1$ ).

Πρόκληση

Ο μαγνητίτης $Fe_3O_4$ είναι το πιο μαγνητικό ορυκτό της φύσης. (α) Βρες τον Α.Ο. του $Fe$ . Γιατί βγαίνει «περίεργος»; (β) Στην $3Fe + 2O_2 \rightarrow Fe_3O_4$ , πόσα ηλεκτρόνια ανταλλάσσονται ανά mol $Fe_3O_4$ ;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) $3x + 4(-2) = 0 \Rightarrow x = +\frac{8}{3}$ . Κανένα άτομο δεν έχει κλασματικό φορτίο! Το $Fe_3O_4$ συμπεριφέρεται σαν $FeO \cdot Fe_2O_3$ : περιέχει ένα $Fe$ με $+2$ και δύο $Fe$ με $+3$ . Ο μέσος όρος τους είναι $\frac{2 + 3 + 3}{3} = \frac{8}{3}$ — ακριβώς ό,τι έδωσε το άθροισμα.

(β) Σίδηρος: ένα άτομο $0 \to +2$ ( $2e^-$ ) και δύο άτομα $0 \to +3$ ( $2 \cdot 3 = 6e^-$ ), σύνολο $8e^-$ που αποβάλλονται. Οξυγόνο: $4$ άτομα $0 \to -2$ , σύνολο $4 \cdot 2 = 8e^-$ που προσλαμβάνονται. Ίσα, όπως πρέπει.

Απάντηση: μέσος Α.Ο. $+\frac{8}{3}$ (στην πραγματικότητα $+2$ και $+3$ )· $8\ mol$ $e^-$ ανά mol $Fe_3O_4$ . Όταν δεις κλασματικό Α.Ο., σκέψου μίγμα ατόμων με διαφορετικούς Α.Ο.

Συνηθισμένα λάθη

Άθροισμα ίσο με 0 σε ιόν. Στα πολυατομικά ιόντα το άθροισμα ισούται με το φορτίο ( $Cr_2O_7^{2-}$ : $2x - 14 = -2$ ), όχι με μηδέν.
Α.Ο. «ανά ένωση» αντί «ανά άτομο». Στο $Cr_2O_7^{2-}$ το $2x = +12$ δίνει $x = +6$ για κάθε άτομο $Cr$ — όχι $+12$ .
Τυφλή εφαρμογή του $O = -2$ και $H = +1$ . Έλεγξε πρώτα για υπεροξείδια ( $H_2O_2$ , $Na_2O_2$ : $O = -1$ ), για $OF_2$ και για υδρίδια μετάλλων ( $NaH$ , $CaH_2$ : $H = -1$ ).
Μπέρδεμα ρόλων. Το σώμα που οξειδώνεται είναι το αναγωγικό. Γράψε δίπλα σε κάθε σώμα «Α.Ο. ↑ ⇒ αναγωγικό» για να μη χάνεις μόρια στις κρίσεις σωστού–λάθους.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Α.Ο. = πραγματικό (ιοντικές) ή φαινομενικό (ομοιοπολικές) φορτίο· $\Sigma(\text{Α.Ο.}) = 0$ σε ένωση, $=$ φορτίο σε ιόν.
Προτεραιότητα κανόνων: στοιχείο $0$ → ιόν = φορτίο → $F = -1$ → αλκάλια $+1$ , αλκαλικές γαίες $+2$ , $Al$ $+3$ → $H = +1$ → $O = -2$ .
Εξαιρέσεις: $H_2O_2 \to O = -1$ , $OF_2 \to O = +2$ , υδρίδια μετάλλων $\to H = -1$ .
Οξείδωση = αύξηση Α.Ο., αναγωγή = μείωση· συμβαίνουν πάντα μαζί. Το οξειδωτικό ανάγεται, το αναγωγικό οξειδώνεται.
Αυτοοξειδοαναγωγή: το ίδιο στοιχείο οξειδώνεται και ανάγεται ( $Cl_2$ με $NaOH$ , διάσπαση $H_2O_2$ ).

Τι είναι ο αριθμός οξείδωσης

Πρακτικοί κανόνες (με αυτή τη σειρά προτεραιότητας):

Ελεύθερα στοιχεία (

O_2

Fe

S_8

): Α.Ο. = 0

Μονοατομικά ιόντα: Α.Ο. = το φορτίο τους (

Ca^{2+} \to +2

)

F: πάντα

-1

στις ενώσεις του

-2

(εξαιρέσεις: υπεροξείδια όπως

H_2O_2 \to -1

, ένωση

OF_2 \to +2

)

+1

(εξαίρεση: υδρίδια μετάλλων όπως

NaH \to -1

)

Αλκάλια (

Na, K

+1

, αλκαλικές γαίες (

Mg, Ca

+2

Al

+3