🧪

Οξειδωτικά – Αναγωγικά & Αντιδράσεις

Κυριότερα σώματα, συμπλήρωση & ισοστάθμιση

Πώς «κατάλαβαν» τα πρώτα αλκοτέστ ότι ήπιες;

Τα πρώτα αλκοτέστ είχαν ένα σωληνάκι με πορτοκαλί διχρωμικό κάλιο σε όξινο περιβάλλον. Η αιθανόλη της αναπνοής ανάγει το $Cr_2O_7^{2-}$ ( $Cr$ : $+6$ ) σε πράσινο $Cr^{3+}$ — όσο περισσότερο πρασίνιζε ο σωλήνας, τόσο περισσότερο αλκοόλ. Σε αυτό το μάθημα μαθαίνεις να προβλέπεις τι γίνεται κάθε οξειδωτικό και να ισοσταθμίζεις την αντίδραση σε λίγα βήματα.

Τα κυριότερα οξειδωτικά

Κάθε οξειδωτικό «κατεβαίνει» σε χαρακτηριστικό προϊόν (σε όξινο περιβάλλον):

$KMnO_4$ ( $Mn: +7$ ) $\to$ $MnSO_4$ ή $MnCl_2$ ( $Mn^{2+}$ , κερδίζει $5e^-$ )
$K_2Cr_2O_7$ ( $Cr: +6$ ) $\to$ άλατα $Cr^{3+}$ (κερδίζει $3e^-$ ανά $Cr$ )
Αραιό $HNO_3 \to NO$ , πυκνό $HNO_3 \to NO_2$
Πυκνό–θερμό $H_2SO_4 \to SO_2$
Αλογόνα $X_2 \to X^-$ , $H_2O_2 \to H_2O$ , $MnO_2 \to Mn^{2+}$ , $O_2 \to$ οξείδια

Τα κυριότερα αναγωγικά

Μέταλλα $M \to M^{n+}$ , $H_2 \to H^+$ (ή $H_2O$ )
$C \to CO_2$ , $CO \to CO_2$ , $NH_3 \to N_2$ , $H_2S \to S$
$SO_2 \to H_2SO_4$ , $HX \to X_2$ , $H_2O_2 \to O_2$ , άλατα $Fe^{2+} \to Fe^{3+}$ , $SnCl_2 \to SnCl_4$

Κόλπο μνήμης

Μη μαθαίνεις απ' έξω «5» και «6» — αφαίρεσε Α.Ο. Υπερμαγγανικό: $+7 \to +2$ , άρα $5e^-$ . Διχρωμικό: δύο άτομα $Cr$ , το καθένα $+6 \to +3$ , άρα $2 \cdot 3 = 6e^-$ . Και για τα χρώματα: «το μωβ σβήνει, το πορτοκαλί πρασινίζει» — $MnO_4^-$ μωβ → σχεδόν άχρωμο $Mn^{2+}$ , $Cr_2O_7^{2-}$ πορτοκαλί → πράσινο $Cr^{3+}$ .

Δραστικότητα μετάλλων και αλογόνων

Τα μέταλλα κατατάσσονται σε σειρά δραστικότητας (από το πιο αναγωγικό προς το λιγότερο):

$K,\ Ba,\ Ca,\ Na,\ Mg,\ Al,\ Mn,\ Zn,\ Cr,\ Fe,\ Co,\ Ni,\ Sn,\ Pb,\ H,\ Cu,\ Hg,\ Ag,\ Pt,\ Au$

Κάθε μέταλλο αντικαθιστά (ανάγει) τα ιόντα των μετάλλων που βρίσκονται δεξιότερα: $Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$ , ενώ ο $Cu$ δεν αντιδρά με $ZnSO_4$ .
Τα μέταλλα πριν το $H$ αντιδρούν με $HCl$ ή αραιό $H_2SO_4$ ελευθερώνοντας $H_2$ : $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$ . Ο $Cu$ , ο $Ag$ , ο $Au$ δεν αντιδρούν.
Με το $HNO_3$ (και με πυκνό–θερμό $H_2SO_4$ ) δεν ελευθερώνεται ποτέ $H_2$ : οξειδωτικό είναι το ίδιο το οξύ, που ανάγεται σε $NO$ / $NO_2$ (ή $SO_2$ ). Γι' αυτό αντιδρά ακόμη και ο $Cu$ .

Αντίστοιχα για τα αλογόνα η οξειδωτική ισχύς είναι $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$ : το $Cl_2$ εκτοπίζει βρώμιο και ιώδιο από τα άλατά τους ( $Cl_2 + 2KI \rightarrow 2KCl + I_2$ ), όχι όμως το αντίστροφο.

Ήξερες ότι;

Η σειρά δραστικότητας έχει και «βαριά βιομηχανία»: στην αλουμινοθερμία $2Al + Fe_2O_3 \rightarrow Al_2O_3 + 2Fe$ το δραστικότερο αλουμίνιο ανάγει το οξείδιο του σιδήρου. Η αντίδραση είναι τόσο εξώθερμη που ο σίδηρος βγαίνει λιωμένος — γι' αυτό χρησιμοποιείται ακόμη για τη συγκόλληση σιδηροτροχιών.

Μέθοδος: συμπλήρωση και ισοστάθμιση οξειδοαναγωγικής

Γράφουμε αντιδρώντα και βρίσκουμε ποιο είναι οξειδωτικό και ποιο αναγωγικό
Γράφουμε τα χαρακτηριστικά προϊόντα τους και τα δευτερεύοντα προϊόντα (άλας, $H_2O$ )
Ισοστάθμιση ηλεκτρονίων: πολλαπλασιάζουμε ώστε τα $e^-$ που χάνει το αναγωγικό να ισούνται με όσα δέχεται το οξειδωτικό
Ισοσταθμίζουμε τα υπόλοιπα άτομα με τη σειρά: μέταλλα → αμέταλλα → $H$ → έλεγχος στο $O$

$e^-_{\text{που αποβάλλει το αναγωγικό}} = e^-_{\text{που προσλαμβάνει το οξειδωτικό}}$

Ισοστάθμισε μια οξειδοαναγωγική: στη μια πλευρά τα ηλεκτρόνια που χάνει το αναγωγικό, στην άλλη όσα κερδίζει το οξειδωτικό — ρύθμισε τους συντελεστές μέχρι η ζυγαριά να ισορροπήσει, ακριβώς όπως στο βήμα 3 της μεθοδολογίας.

Άσκηση (κλασική Πανελληνίων): Να συμπληρωθεί η αντίδραση $KMnO_4 + FeSO_4 + H_2SO_4 \rightarrow$

Λύση: Οξειδωτικό το $KMnO_4$ ( $Mn: +7 \to +2$ , κερδίζει $5e^-$ ), αναγωγικό ο $Fe^{2+}$ ( $+2 \to +3$ , χάνει $1e^-$ ). Για ισοστάθμιση ηλεκτρονίων: $2 \times 5 = 10 \times 1$ , άρα $2\,KMnO_4$ και $10\,FeSO_4$ :

$2KMnO_4 + 10FeSO_4 + 8H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 5Fe_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 8H_2O$

Έλεγχος: $S$ : αριστερά $10 + 8 = 18$ , δεξιά $2 + 15 + 1 = 18$ ✓ και $H$ : $16 = 16$ ✓. Ο αποχρωματισμός του ιώδους $KMnO_4$ είναι και ποιοτική ανίχνευση αναγωγικών!

Άσκηση: Να συμπληρωθεί και να ισοσταθμιστεί η αντίδραση $K_2Cr_2O_7 + FeCl_2 + HCl \rightarrow$

Λύση:

Βήμα 1 — ρόλοι: Οξειδωτικό το $K_2Cr_2O_7$ ( $Cr$ : $+6 \to +3$ ). Αναγωγικό ο $Fe^{2+}$ ( $+2 \to +3$ ).

Βήμα 2 — προϊόντα: Σε περιβάλλον $HCl$ σχηματίζονται χλωρίδια: $CrCl_3$ , $FeCl_3$ , $KCl$ και $H_2O$ .

Βήμα 3 — ηλεκτρόνια: Κάθε $Cr$ κερδίζει $3e^-$ , και το $Cr_2O_7^{2-}$ έχει δύο άτομα $Cr$ , άρα $6e^-$ ανά $K_2Cr_2O_7$ . Κάθε $Fe^{2+}$ χάνει $1e^-$ . Άρα $1\ K_2Cr_2O_7 : 6\ FeCl_2$ .

Βήμα 4 — υπόλοιπα άτομα: $Cr$ → $2CrCl_3$ , $Fe$ → $6FeCl_3$ , $K$ → $2KCl$ . Χλώρια δεξιά: $6 + 18 + 2 = 26$ · αριστερά υπάρχουν ήδη $12$ από το $FeCl_2$ , άρα χρειάζονται $14\ HCl$ . Τα $14\ H$ δίνουν $7H_2O$ .

$K_2Cr_2O_7 + 6FeCl_2 + 14HCl \rightarrow 2CrCl_3 + 6FeCl_3 + 2KCl + 7H_2O$

Έλεγχος στο $O$ : αριστερά $7$ , δεξιά $7$ ✓. Ο χρωματισμός αλλάζει από πορτοκαλί ( $Cr_2O_7^{2-}$ ) σε πράσινο ( $Cr^{3+}$ ).

Θέμα τύπου Πανελλαδικών: $100\ mL$ διαλύματος $FeSO_4$ $0{,}5\ M$ οξειδώνονται πλήρως από όξινο (με $H_2SO_4$ ) διάλυμα $KMnO_4$ $0{,}1\ M$ .

Δεδομένα: $V_{FeSO_4} = 0{,}1\ L$ , $C_{FeSO_4} = 0{,}5\ M$ , $C_{KMnO_4} = 0{,}1\ M$ , $M_r(Fe_2(SO_4)_3) = 400$ .

Ζητούμενα: (α) ο όγκος του διαλύματος $KMnO_4$ που απαιτείται, (β) η μάζα του $Fe_2(SO_4)_3$ που σχηματίζεται.

Λύση: Η ισοσταθμισμένη εξίσωση (βλ. παραπάνω):

$2KMnO_4 + 10FeSO_4 + 8H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 5Fe_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 8H_2O$

$n_{FeSO_4} = C \cdot V = 0{,}5 \cdot 0{,}1 = 0{,}05\ mol$ .

(α) Αναλογία $KMnO_4 : FeSO_4 = 2 : 10 = 1 : 5$ , άρα $n_{KMnO_4} = \frac{0{,}05}{5} = 0{,}01\ mol$ και

$V = \frac{n}{C} = \frac{0{,}01}{0{,}1} = 0{,}1\ L = 100\ mL$

(β) Αναλογία $FeSO_4 : Fe_2(SO_4)_3 = 10 : 5 = 2 : 1$ , άρα $n = 0{,}025\ mol$ και $m = 0{,}025 \cdot 400 = 10\ g$ .

Απάντηση: (α) $100\ mL$ διαλύματος $KMnO_4$ , (β) $10\ g$ $Fe_2(SO_4)_3$ . Το τελικό σημείο φαίνεται από τη μόνιμη ιώδη απόχρωση της πρώτης σταγόνας $KMnO_4$ που περισσεύει.

Γρήγορος έλεγχος

Το $H_2O_2$ μπορεί να δράσει:

Γρήγορος έλεγχος

Κατά την αντίδραση χαλκού με αραιό $HNO_3$ , το κύριο αέριο προϊόν είναι:

Γρήγορος έλεγχος

Δίνεται η αντίδραση $2KMnO_4 + 5H_2O_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 5O_2 + 8H_2O$ . Πόσα mol $O_2$ ελευθερώνονται όταν αντιδρούν $0{,}4\ mol$ $KMnO_4$ ;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο μέταλλο δεν ελευθερώνει $H_2$ όταν προστεθεί σε αραιό διάλυμα $HCl$ ;

Το αραιό $H_2SO_4$ δεν είναι οξειδωτικό — δρα ως απλό οξύ (γι' αυτό μπαίνει «βοηθητικά» στις αντιδράσεις του $KMnO_4$ ). Οξειδωτική δράση έχει μόνο το πυκνό–θερμό $H_2SO_4$ . Στον έλεγχο της ισοστάθμισης, μέτρα πάντα τελευταίο το οξυγόνο: αν βγει, η εξίσωση είναι σωστή.

Πρόκληση

ποιο οξειδωτικό «αποδίδει» περισσότερο. Έχεις $1\ g$ $KMnO_4$ και $1\ g$ $K_2Cr_2O_7$ . Κάθε ένα οξειδώνει $Fe^{2+}$ σε $Fe^{3+}$ σε όξινο περιβάλλον. Ποιο οξειδώνει περισσότερο $Fe^{2+}$ και πόσο περισσότερο; Δίνονται $A_r$ : $K = 39$ , $Mn = 55$ , $Cr = 52$ , $O = 16$ .

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

$M_r(KMnO_4) = 39 + 55 + 64 = 158$ και $M_r(K_2Cr_2O_7) = 78 + 104 + 112 = 294$ .

Κάθε $Fe^{2+}$ δίνει $1e^-$ , άρα mol $Fe^{2+}$ = mol $e^-$ που παίρνει το οξειδωτικό.

$KMnO_4$ : $\frac{1}{158}\ mol \cdot 5 \approx 0{,}0316\ mol$ $Fe^{2+}$
$K_2Cr_2O_7$ : $\frac{1}{294}\ mol \cdot 6 \approx 0{,}0204\ mol$ $Fe^{2+}$

Λόγος: $\frac{5/158}{6/294} = \frac{5 \cdot 294}{6 \cdot 158} = \frac{1470}{948} \approx 1{,}55$ .

Απάντηση: ανά γραμμάριο το $KMnO_4$ οξειδώνει περίπου 55% περισσότερο $Fe^{2+}$ . Το διχρωμικό «κερδίζει» σε ηλεκτρόνια ανά mol ( $6 > 5$ ), αλλά «χάνει» επειδή είναι πολύ βαρύτερο. Το δίδαγμα: σύγκρινε πάντα mol, όχι γραμμάρια.

Συνηθισμένα λάθη

Ηλεκτρόνια ανά άτομο αντί ανά μόριο. Το $K_2Cr_2O_7$ κερδίζει $2 \times 3 = 6e^-$ , όχι $3$ . Πολλαπλασίασε πάντα με τον δείκτη του ατόμου που αλλάζει Α.Ο.
$H_2$ από $HNO_3$ . Το νιτρικό οξύ δεν δίνει ποτέ υδρογόνο με μέταλλα: αραιό → $NO$ , πυκνό → $NO_2$ .
Ξεχασμένα δευτερεύοντα προϊόντα. Το $K$ του $KMnO_4$ ή του $K_2Cr_2O_7$ καταλήγει σε άλας ( $K_2SO_4$ , $KCl$ ), και το $H$ του οξέος σε $H_2O$ .
Έλεγχος μόνο στα μέταλλα. Μετά την ισοστάθμιση μέτρα πάντα $H$ και τελευταίο $O$ · αν το $O$ «δεν βγαίνει», κάπου έχει γίνει λάθος στους συντελεστές.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Οξειδωτικά (όξινο περιβάλλον): $MnO_4^- \to Mn^{2+}$ ( $5e^-$ ), $Cr_2O_7^{2-} \to 2Cr^{3+}$ ( $6e^-$ ), αραιό $HNO_3 \to NO$ , πυκνό $HNO_3 \to NO_2$ , πυκνό–θερμό $H_2SO_4 \to SO_2$ .
Αναγωγικά: μέταλλα, $H_2$ , $C$ , $CO$ , $H_2S \to S$ , $Fe^{2+} \to Fe^{3+}$ , $SO_2 \to H_2SO_4$ · το $H_2O_2$ δρα και με τους δύο ρόλους.
Σειρά δραστικότητας: μέταλλα πριν το $H$ δίνουν $H_2$ με $HCl$ /αραιό $H_2SO_4$ · κάθε μέταλλο εκτοπίζει τα δεξιότερά του.
Ισοστάθμιση: $e^-$ που χάνει το αναγωγικό $=$ $e^-$ που παίρνει το οξειδωτικό, μετά μέταλλα → αμέταλλα → $H$ → έλεγχος $O$ .
Στοιχειομετρία: mol από $n = C \cdot V$ ή $n = \frac{m}{M_r}$ και αναλογία συντελεστών της ισοσταθμισμένης εξίσωσης.

Τα κυριότερα οξειδωτικά

Κάθε οξειδωτικό «κατεβαίνει» σε χαρακτηριστικό προϊόν (σε όξινο περιβάλλον):

KMnO_4

(

Mn: +7

)

\to

MnSO_4

MnCl_2

(

Mn^{2+}

, κερδίζει

5e^-

)

K_2Cr_2O_7

(

Cr: +6

)

\to

άλατα

Cr^{3+}

(κερδίζει

3e^-

ανά

Cr

)

Αραιό

HNO_3 \to NO

, πυκνό

HNO_3 \to NO_2

Πυκνό–θερμό

H_2SO_4 \to SO_2

Αλογόνα

X_2 \to X^-

H_2O_2 \to H_2O

MnO_2 \to Mn^{2+}

O_2 \to

οξείδια

Τα κυριότερα αναγωγικά

Μέταλλα

M \to M^{n+}

H_2 \to H^+

(ή

H_2O

)

C \to CO_2

CO \to CO_2

NH_3 \to N_2

H_2S \to S

SO_2 \to H_2SO_4

HX \to X_2

H_2O_2 \to O_2

, άλατα

Fe^{2+} \to Fe^{3+}

SnCl_2 \to SnCl_4