GCH1_013 חמצון חיזור

תגובת חמצון חיזור

מצבי חמצון

רוב המושגים בכימיה עוסקים במאפיינים או תהליכים הניתנים למדידה. אבל, ישנם מקרים בהם מושגים נוצרו יותר עבור נוחות מאשר איזושהי משמעות בסיסית. זהו המקרה עבור מצבי חמצון, שהוא קשור למספר האלקטרונים שאטום מאבד/קולט כאשר הוא נקשר לאטומים אחרים.
נביט ב-: במולקולה זו אטום , מתכת, מאבד אלקטרון אחד ל-, אל מתכת. נאמר כי נמצא במצב/דרגת חמצון , ו- נמצא בדרגת חמצון .

במשוואות כימיות מקובל לסמן את הדרגת חמצון כמספר ישירות מעל האטום (לעומת המטען, שמאוד דומה אבל מסומן מצד ימין למעלה של האטום/מולקולה):

תגובת חמצון חיזור

תגובת חמצון-חיזור היא תגובה בה משתנים מצבי החמצון של האטומים/יונים השונים המשתתפים בתגובה. למשל, בתגובה הבאה:

כל אטום מאבד אלקטרון ל- כך שלעומת דרגתו הניטרלית () במגיבים, בתוצרים ל- יש דרגת חמצון . כלומר:

מדוע דרגתו במגיבים היא ? כיצד נוכל לקבוע עבור מולקולות אחרות את דרגת החמצון של היסודות שלהן? נפעל לפי הכללים הבאים:

1. מצב חמצון של יסוד או חומר במצב סטנדרטי הוא תמיד אפס. למשל: .
2. סכום מצבי החמצון של כל האטומים במולקולה שווה למטען של המולקולה.
3. ליסודות מהטור הראשון והטור השני מצבי חמצון של ו- בהתאמה.
4. פלואור () תמיד בעל מצב חמצון של .
5. מימן () בד”כ בעל מצב חמצון של . יוצאי דופן - מימן בתרכובות יוניות כמו .
6. חמצן () בד”כ בעל מצב חמצון של . יוצא דופן - וחמצן בתרכובות עם פלואור או .
7. בתרכובות בינאריות (המכילות רק שני סוגים של יסודות) של מתכות: הלוגנים (טור 7) יהיו בעל מצב חמצון של , יסודות מטור יהיו בעלי מצב חמצון של , ויסודות מטור יהיו בעלי מצב חמצון של .
8. בקשר קוולנטי היסוד היותר אלקטרושלילי יקבל מצב חמצון שלילי.

דוגמאות:

את מצבי החמצון של האטומים במרכז/אטומי הסנדוויץ’, עדיף לקבוע אחרון:
1.

מסירה או קבלה של אלקטרונים קשורה להפרש בערכי האלקטרושליליות של היסודות הקשורים זה עם זה. לכן, מצבי החמצון של יסוד/יון כלשהו עשויים להשתנות מתרכובת אחת או שנייה, כתלות ביסודות איתם הוא מגיב.

שאלה:

האם דרגת חמצון תמיד שלמה?
תשובה:
כיוון שדרגת חמצון מתארת את מעבר האלקטרונים מאטום אחד לאחד, קשה להאמין כי דרגת חמצון יכולה להיות שבר, כי הרי אי אפשר להעביר חצי אלקטרון לאטום אחר. אבל, נביט במולקולה הבאה:

לחמצן אחד יש דרגת חמצון של , ולכן המטען הכולל על כל החמצנים יהיה . נסיק מכך של--ים חייב להיות מטען כולל של , ולכן לכל גופרית תהיה דרגת חמצון !
נסביר זאת ע”י כך שקיבלנו כי בממומצע הדרגת חמצון של הגופרית היא , אך זה לא אומר כי הדרגת חמצון של כל אטום גופרית הוא שבר. למעשה אם נשרטט מבנה לואיס:

נראה שאטומי הגופרית החיצוניים בעלי דרגת חמצון , ואילו הפנימיים בעלי דרגת חמצון ניטרלית .
נסיק כי דרגת החמצון על אטום מסוים תהיה מספר שלם, אבל הממוצע שלהם יכל להיות שבר:

מחמצן ומחזר

אטום/יון אשר דרגת החמצון שלו עולה - עובר חמצון והוא בעצמו משמש כמחזר (מוסר אלקטרון). דוגמה לרישום תהליך חמצון:

אטום/יון אשר דרגת החמצון שלו יורדת - עובר חיזור והוא בעצמו משמש מחמצן (מקבל אלקטרונים). דוגמה לרישון תהליך חיזור:

דוגמאות:

מי עובר חמצון ומי עובר חיזור בתגובה הבאה? מי המחמצן ומי המחזר?

נמצא את דרגת החמצון של כל אטום:

היסוד עבר מדרגת חמצון לדרגת חמצון ניטרלית, . כלומר, הוא קיבל אלקטרונים ולכן הוא המחמצן. ה- לא שינה מצב חמצון ולכן הוא לא מחמצן ולא מחזר. ה- עבר מדרגת חמצון ניטרלית ל-, כלומר, הוא מסר אלקטרונים, ולכן מחזר.

אלגוריתם: איזון משוואת חמצון חיזור

באיזון משוואות חיזור בנוסף לאיזון הסטויכיומטרי “הרגיל” יש צורך לאזן את כמות האלקטרונים בשני חצאי התגובות - תגובת החמצון ותגובת החיזור. בנוסף, אם התגובה מתרחשת בסביבה חומצית, נפעיל מספר שלבים נוספים.
נראה את הכללים, ונריץ אותם על דוגמת ההרצה:

1. מצאו מצב חמצון עבור כל אטום: בדוגמה זו, מוסר אלקטרונים ולכן מחזר ועובר תהליך חמצון, לא משנה דרגת חמצון, ו- מקבל אלקטרונים ולכן מחמצן ועובר תהליך חיזור.
2. רשמו חצי תגובת חמצון וחצי תגובת חיזור:
   חצי תגובת חמצון: חצי תגובת חיזור:
3. אזנו כל חצי תגובה בסדר הבא (בסביבה חומצית):
   1. אזנו אטומים שאינם או :
      החצי תגובה חמצון וחיזור שלנו כבר מאוזנות.
   2. אזנו אטומי ע”י הוספת :
   3. אזנו אטומי ע”י הוספת :
4. אזנו מטען בכל חצי תגובה ע”י הוספת אלקטרונים:
   שתי חצאי התגובות כבר מאוזנות מטענית.
5. התאימו מספר אלקטרונים חופשיים כך שבשני חצאי תגובות יעבור אותו מספר אלקטרונים (במידת הצורך הכפל בפקטור מתאים):
   
   
6. חברו את שתי התגובות למשוואה אחת תוך צמצום של איברים: