Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (10/43) · 10:09

Redoxní reakce Hank nám v tomto videu vysvětlí, co jsou to redoxní reakce, kde všude se s nimi setkáme a jak je můžeme snadno vyčíslit.

Elektron je pro chemii něco jako peníze pro obchodníky. Je to jenom o tom, kdo je vlastní, chce a dokáže získat. Elektrony zajistí vazbu mezi atomy, a tím je spojují do molekul. A pokud se to stane, dojde k výměně obrovského množství energie. Ne všechny chemické reakce vyžadují výměnu elektronů. Připomínám, že acidobazické reakce jsou o výměně protonů. Elektrony jsou opravdovým zlatem v oblasti chemie, nejdůležitější reakce na Zemi zahrnují přenos jednoho nebo více elektronů z jednoho atomu na druhý. To jsou redoxní reakce. Redoxní je ze zkrácení slov redukce a oxidace. No a co s těmito slovy? Redukce, jak víte, je odevzdání elektronů. A oxidace, je možná, něco spojeného s kyslíkem. Občas, ne vždycky. Je to často velmi složitá otázka, co se děje v redoxních reakcích, ale my to vyřešíme. Redukce je, když látka přijímá elektrony. Ano, přijímá, což je opačný význam slova redukovat. Skvělé! A ano, občas bych ponížil lidi, kteří tyto pojmy zavedli. Ale oni to nevěděli, nebo už jsou mrtví. Takže s tím neudělám nic. Pradávní chemici tvořili čisté kovy zahřátím nebo roztavením jejich rud. Všimli si, že během zahřívání se tyto látky stávaly lehčími. Proto hádám, že není šílené říkat, že se tyto látky redukovaly. Náš starý francouzský přítel Antoine Lavoisier přišel na to proč. Protože kyslík nakonec opouští sloučeninu, a tím se stává lehčí. Nevěděl ale, o jaké chemické reakce šlo. Kyslík je, nepříliš překvapivě, silné oxidační činidlo. Vytlačuje elektrony ven z molekuly, aby se sám stal stabilnější. Když ho hodně zahřejete, získá všechnu energii. Dnes víme, že oxidace a redukce je o přesunu elektronů. Proto možná přemýšlíte, zda tyto pojmy nezaměnit. Pár chemiků to zkoušelo, zavést pojmy elektronizace a de-elektronizace. Ale když jednou zavedené termíny chcete změnit, je to strašně složité, věřte mi. K zapamatování těchto nesmyslných pojmů používám pomůcku: 'OILRIG' Oxidace je odevzdávání elektronů, redukce je přijímání elektronů. Tyto pojmy je třeba znát, protože jsou všude. Když vaše buňky mění cukr v energii, abyste se mohli hýbat a dýchat, to jsou redoxní reakce. Když rostliny fotosyntetizují? To je taky redoxní reakce. A když nabíjíte baterku vašeho notebooku? Nebo když hoří? Opět redoxní reakce. Když dochází k výměně elektronů, tak studujete redoxní reakce. Je důležité, naprosto nezbytné, sledovat pohyb elektronů. Myslete na ně jako na dollary, pesa nebo libry či eura. V každé transakci je jeden člověk získá a druhý o ně přijde. Abyste zůstali v obraze, musíte vědět, kdo bere a kdo dává. Vazby atomů jsou založeny na sdílení elektronů, tvorbou kovalentní vazby. Proto občas sledovat, kde jsou a jak skončí, není to vždy tak jednoduché. Pojďme se na kovalentní vazbu podívat jako na manželství. Bude to divné manželství, protože v něm bude třeba i šest lidí. Často tam bude stejná osoba vícekrát. Bez závazků, žádné závazky a taky žádné emoce. Nepřemýšlejte o tom tolik. V manželství lidé sdílí svoje peníze, kovalentní vazby sdílí své elektrony. Trik je v tom zjistit, kdo získá peníze, když se manželství rozpadne. Proto jsme vytvořili užitečný systém, kdy přiřadíme všechny elektrony atomu, který je v daný moment sdílí. Číslo, které přiřadíme atomu se nazývá oxidační stav neboli oxidační číslo. Ačkoliv už známe kovalentní vazby a sdílení elektronů, je jednodušší si je představit jako rozdělení bankovního účtu. Jako by byli iontová vazba nebo nevazebné elektronové páry. Atomové oxidační číslo je, v podstatě, náboj, který může atom mít, kdyby po rozdělení vlastnil všechny sdílené elektrony. ...jako ti čerstvě rozvedení jedinci. Abychom zjistili tato oxidační čísla, použijeme jednoduchá pravidla. Zaprvé, oxidační číslo mají všechny prvky, ať jsou jedno, dvou či víceatomové. Například vápník, vodík nebo molekula síry, všechny mají oxidační stav 0. Atomy podle definice nemají náboj. Kdyby ho měly, byly by ionty. A pokud je sdílí, tak je sdílí rovnoměrně. Zadruhé, pro jednoatomové ionty, je oxidační stav roven velikosti náboje. Železo ve formě Fe²⁺ má oxidační číslo +2 a chloridový ion má -1. Zatřetí, kyslík, který vystupuje v mnoha redoxních reakcích, má téměř vždy oxidační číslo -2. Pokud se nenachází v molekule peroxidu, jako v peroxidu vodíku. Začtvrté, vodík je +1. Zapáté, fluor je -1. Stejně jako všechny halogeny ve většině případů. Tedy pokud nejsou v molekule s fluorem nebo kyslíkem. Protože fluor a kyslík změní jejich oxidační číslo na kladné. Tedy pokud víte, o čem mluvím. A to jsou ta pravidla! To je vše, co potřebujete vědět. Součet všech oxidačních čísel v atomech neutrálních sloučenin je roven nule. Jako voda: 1 kyslík, v oxidačním stavu -2 a 2 vodíky +1. Neutrální sloučenina má oxidační stav nula. Na druhé straně, u víceatomových iontů se oxidační stav shoduje s jejich nábojem. SO₄²⁻, síranový anion, má 4 kyslíky, dohromady mají -8, ale neznáme pravidlo pro síru, takže to necháme být a jdeme dál? Ne! Použijeme matematiku ze třetí třídy. Víme totiž, že oxidační číslo celé sloučeniny je -2, a víme tedy, že síra musí mít v této sloučenině oxidační stav +6. Ale oxidační stav síry není vždy +6, to je důvod, proč nemáme pravidlo pro síru a mnoho dalších prvků. Oxidační stavy většiny prvků se mění podle toho, s kým tvoří vazbu. Teď použijeme stejnou logiku v případě, že se jedná o sloučeniny v redoxní reakci. Soudní dvůr pro elektrony: podání rukou, vyjednávání, obchodování, někteří hráči mají velký zisk, jiní ztratí téměř všechno. Začneme s jednoduchým příkladem: chemická reakce, která podle mě, zachránila více životů než jakákoliv jiná, byla vymyšlena za první světové války jako náhrada výbušnin, Haberův proces. Haberův proces získává vysoce stabilní elementární dusík ze vzduchu, který reaguje s vodíkem na molekulu NH₃, amoniaku, používaného v bombách a hnojivech. Díky hnojivům dokáže Země uživit miliardy lidí navíc. Dusík a vodík ve vzduchu existují jako dvouatomové molekuly. Začínáme tedy s atomy v oxidačních stavech nula. Amoniak vzniká reakcí neutrálních sloučenin, jednoho dusíku a tří vodíků. Každý vodík má oxidační stav +1, vzpomeňte si na pravidla, dusík musí mít oxidační stav -3. Dusík pak získá elektrony, jeho oxidační stav se snižuje, a proto se redukuje. Nakonec když mluvíme o oxidačních stavech, slovo redukce dává smysl. Kyslík odevzdává elektrony, jeho oxidační stav se zvyšuje, a proto se oxiduje. Tato rovnice se jednoduše vyčíslí, ale redoxní reakce dokáží být pěkný oříšek, protože v nich vystupuje mnoho atomů. Proto často vyčíslujeme poloreakce. I když nepotřebujeme poloreakce u této jednoduché reakce, tak to stejně uděláme, protože je to dobrý příklad na začátek. Začneme s dusíkem, který se redukuje. Máme N₂ v oxidačním stavu 0 a vznikající NH₃, kde má dusík oxidační stav -3. Nejprve vyčíslíme počet dusíků, poté doplníme počet elektronů tak, aby jich bylo na každé straně stejně. To stejné uděláme i s druhou poloreakcí, pak je spojíme do jedné ucelené reakce, kde se elektrony vzájemně vyruší. Ano, možná se vám to zdá, jako nepotřebný krok, ale ukážu vám složitější příklad, kde se ukáže, že je tento krok potřebný. V této baňce je diamin stříbrný. Využijeme nějaké redoxní reakce k získání nádherného čistého elementárního stříbra, a to nebude zdaleka tak jednoduché jako Haberův proces. Diamin stříbrný bude reagovat s organickým aldehydem. Jakýmkoliv aldehydem. Funkční skupina aldehydu je CHO a symbolem R se značí v organické chemii skupina atomů uhlovodíkového zbytku, která nás v této reakci nezajímá. Diamin stříbrný reaguje s aldehydem a hydroxidem za vzniku karboxylové kyseliny, amoniaku a vody. Nejprve určíme oxidační stavy. Stříbro je v komplexu se dvěma neutrálními amoniaky, které nebudou nijak reagovat, tak je můžeme považovat za jednotky s oxidačním stavem nula. Diamin stříbrný má náboj 1+ a amoniak to nijak neovlivní, stříbro má tedy oxidační číslo +1. Aldehyd má jeden vodík s oxidačním číslem +1 a jeden kyslík s oxidačním číslem -2, ale celkově je neutrální, proto musí mít uhlík taky oxidační číslo +1. Hydroxidový iont je jednoduchý: kyslík -2 a jeden vodík +1 dává v celku oxidační stav -1. Na straně reaktantů je stříbro v atomární formě v oxidačním stavu nula. Karboxylová kyselina má 2 kyslíky a 1 vodík, tedy uhlík je v oxidačním čísle +3. Náboj NH₃ zůstává nula, vodík a kyslík ve vodě nemění svůj oxidační stav. Oxidační číslo stříbra klesá, redukuje se, z 1 na 0, uhlík se mezitím oxiduje z 1 na 3. Teď je čas na poloreakce! Stříbro se redukovalo, získalo elektron, vzniklo elementární stříbro a amoniak z diaminu stříbrného. Aldehyd se oxidoval, vznikla karboxylová kyselina a spotřebovaly se dva elektrony. S pomocí těchto dvou elektronů víme, že musíme nejméně zdvojnásobit počet elektronů při redukci, abychom měli na obou stranách stejný počet elektronů. To uděláme... Nakonec spojíme všechno dohromady do perfektně vyčíslené redoxní rovnice. A teď se dívejte, jak tyto elektrony přeměním v peníze. Tak tady to máte. Uvnitř baňky je povlak čistého stříbra.
video