Indhold

Opgaver
Test din viden
 

Læringsmål:

  • Kan forklare oxidation og reduktion
  • Kan tildele atomer og molekyler oxidationstal.
  • kan forklare spændingsrækken.
  • Kan afstemme redoxreaktioner.

 


Oxidation og reduktion


Redoxkemi, en forkortelse for reduktion-oxidation-kemi, beskriver redoxreaktioner hvor overførslen af elektroner mellem atomer, molekyler eller ioner finder sted. Denne elektronoverførsel er afgørende, da den ikke kun bestemmer stoffernes kemiske egenskaber, men også deres reaktivitet og stabilitet. Redoxreaktioner kan ses i alt fra den enkle rustning af jern og fotosyntesen i planter til den komplekse energiproduktion i levende organismer via cellulær respiration.

Et vigtigt aspekt af at forstå redoxreaktioner er at kunne identificere, hvilke atomer i en reaktion der bliver oxideret (mister elektroner) og hvilke der bliver reduceret (optager elektroner). Metaller vil altid afgive elektroner, mens ikke-metaller vil optage elektroner. Elektroner afgives eller optages i den yderste skal for at opnå en stabil elektronkonfiguration, ofte i overensstemmelse med ædelgasreglen, hvor atomet stræber efter at have otte elektroner i den yderste skal, hvilket dog primært gælder for atomer i hovedgrupperne.

 

Figur 1. Oxidation af natrium ved afgivelse af en elektron. Chlor bliver reduceret ved at optage en elektron.

Figur 1 viser en redoxreaktion, hvor natrium afgiver en elektron til chlor. Elektronen har en negativ ladning, og derfor bliver natrium positiv, idet det mister en negativ ladning, mens chlor bliver negativ, fordi det optager denne negative ladning.

Redoxreaktioner kan opdeles i delreaktioner for at gøre det nemmere at overskue, hvad der bliver oxideret og reduceret. En redoxreaktion involverer en elektronoverførsel, og en oxidation kan kun finde sted, hvis der samtidigt sker en reduktion. Det kræver, at der er et atom, der afgiver elektroner, og et atom der modtager elektroner. Figur 1 illustrerer elektronoverførslen fra natrium til chlor. Figur 2 og figur 3 viser eksempler på delreaktioner for henholdsvis en oxidation og en reduktion. I delreaktionerne angives antallet af elektroner, der afgives eller optages, ved at anvende symbolet e-. Læg mærke til, at metalatomet opnår en positiv ladning svarende til antallet af afgivne elektroner, mens ikke-metallet, der optager elektroner, får en tilsvarende negativ ladning.

Figur 1 viser redoxreaktion. Natrium afgiver en elektron til chlor. Elektron har en negativ ladning og derfor bliver natrium positiv, da der afgives en negativ ladning, mens chlor bliver negativ, da chlor optager en negativ ladning.

Redoxreaktioner kan opdeles i delreaktioner, så det er nemmere at overskue, hvad der bliver oxideret og reduceret. En redoxreaktion er en elektronoverførsel, og der kan kun ske en oxidation, hvis der samtidigt sker en reduktion, så det kræver, at der er atom, der er en afgiver af elektroner og et atom der modtager af elektroner. Figur 1 viser en elektronoverførsel fra natrium til chlor. Figur 2 og figur 3 viser eksempler på delreaktioner ved en oxidation og reduktion. Ved delreaktion angives antallet af elektroner der afgives eller optages ved at anvende e-. Læg mærke til, at metalatomet får en positiv ladning svarede til antallet af afgivne elektroner. Samme princip med ikke-metallet, der optager elektroner, og dermed får en negativ ladning.

Oxidation: Mg → Mg2+ + 2e-

Reduktion: Cl + e- → Cl-

Redoxreaktion: Mg + Cl2 → Mg2+ + 2Cl- 

Figur 2. Magnesium oxideres ved at afgive 2 elektroner, mens chlor reduceres ved at optage en elektron.

Oxidation: Al → Al3+ + 3e-

Reduktion: P + 3e- → P3-

Redoxreaktion: Al + P → Al3+ +P3- 

Figur 3. Aluminium afgiver 3 elektroner, men phosphor optager 3 elektroner.

Metaller vil altid afgive elektroner til ikke-metaller. I det periodiske system kan man nemt få et overblik over metaller og ikke-metaller ved at placere markøren over elementerne kategoriseret som metal og ikke-metal.


Oxidationstal (OT)


Oxidationstal er et nøglebegreb i redoxkemi, der illustrerer elektronoverførslen mellem atomer under en kemisk reaktion. Dette tal repræsenterer den teoretiske ladning, som et atom ville have, hvis alle dets bindinger til andre atomer ansås for at være ioniske. Dette faciliterer identifikationen af, hvilke atomer der oxideres og reduceres i en redoxreaktion. For at forenkle balanceringen af redoxreaktioner, som ofte kan være komplekse, tildeler man oxidationstal til atomerne. Disse tal noteres som romertal placeret over atomernes symboler. I et neutralt molekyle skal summen af oxidationstallene være 0, mens summen i en ionforbindelse skal matche ionens totale ladning. Oxidationstallet for et fritstående atom er altid 0, som det ses med oxygen (O₂) eller jern (Fe).

Tabel 1. Oxidationstal for atomer

 Atom            Oxidationstal
 Na+  +I
 Mg2+  +II
 Al3+  +III
 Cl-  -I
 S2-  -II
 H+  +II
 O2-  -II
 Br  0

 

Ved tildeling af oxidationstal er der følgende regler:

1. H har altid OT = +I.

2. O har altid OT = -II - undtagen i H2O2, der er O = -I.

3. Summen af OT = ladning.

 Tabel 2. Oxidationstal for molekyler

 Molekyle         Oxidationstal (OT)
 NH3  N (-III)
 CH4  C (-IV)
 CO2  C (+IV)
 H2S  S  (-II)
 SO42-  S (+VI)
 PO43-  P( +V)
 HCl  Cl (-I)
 H2  H (0)

 

Tabel 2 angiver oxidationstal for molekyleforbindelser. N har oxidationstallet -III som fremkommer ved at opskrive en ligning. N + 3⋅H = ladning => N + 3 = 0 => N = -3


Spændingsrækken


Spændingsrækken er en klassifikation inden for redoxkemi, der rangerer metaller samt nogle ikke-metaller baseret på deres tendens til at afgive elektroner. Det er en struktureret liste, der ordner atomerne fra de mest elektropositive (mest tilbøjelige til at afgive elektroner) til de mest elektronegative (mindst tilbøjelige til at afgive elektroner). Spændingsrækken spiller en central rolle i forudsigelsen af resultaterne af redoxreaktioner, da et metal placeret til venstre i rækken har evnen til at reducere et metal, der står til højre for det i spændingsrækken.

Et uddrag af spændingsrækken er vist i figur 4, hvor metallerne er angivet fra de mest reaktive (højre side) til de ædle (venstre side) såsom kobber, sølv, platin og guld.

K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe Pb H Cu Ag Pt Au

Figur 4. Spændingsrækken angivet fra højre, mest reaktive metaller til de ædle metaller kobber, sølv, platin og guld.

Når et fast metal (s) er placeret til venstre for et metal (aq) i en vandig opløsning, vil det faste metal afgive elektroner til metallet i den vandige opløsning. Dette fører til en elektronoverførsel, hvorved metallet i den vandige opløsning omdannes til et fast metal, som vist i reaktionen:

Zn (s) + Fe2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Fe (s).

Figur 4 illustrerer denne proces, hvor fast zink står til venstre for jern i en vandig opløsning, hvilket fører til en redoxreaktion, hvor zink afgiver elektroner til jern.

Metaller, der er placeret til venstre for hydrogen i spændingsrækken, reagerer med syre og danner dihydrogen. Dette kan ses i reaktionen i figur 5, hvor metaller placeret til venstre reagerer med syre og producerer dihydrogen.

Zn (s) + Fe2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Fe (s).

Figur 5. Fast Zn står til venstre for Fe i vandig opløsning og derfor sker der en redoxreaktion. Zink afgiver elektroner til jern.

H i spændingsrækken kommer fra en vandig opløsning af en syre. Alle metaller til venstre for hydrogen vil reagere med syre og danne dihydrogen.

Fe (s) + 2H+ (aq) → Fe2+ (aq) + H2 (g).

Figur 5. Metaller til venstre vil reagere med syre og danne dihydrogen.


Afstemning af redoxreaktioner


 

Redoxreaktioner afstemmes på en anderledes måde end almindelige reaktionsskemaer. Der anvendes en bestemt metode til at afstemme redoxreaktioner.

1. Tildel oxidationstal.

2. Undersøg hvilke atomer der oxideret og reduceret.

3. Tildel koefficienter.

4. Undersøg ladninger på venstre og højre side.

5. Afstem ladninger med H+ i sur opløsning eller OHi basiske opløsning.

6. Afstem H med H2O.

7. Afstem O på venstre og højre side.

8. Korrekt afstemt hvis lige mange O på hver side.

Figur 6. Metode til at afstemme redoxreaktioner. Se uddybende vejledning i video.

 


Opgaver


Opgave 1

Betragt følgende redoxreaktion:  
Fe (s) + Cu²⁺ (aq) ⟶ Fe²⁺ (aq) + Cu (s)

   a) Identificer oxidation og reduktion i reaktionen.  
   b) Bestem oxidationstal for jern (Fe) før og efter reaktionen.

 

Opgave 2


Afstemning af redoxligning:
   Afstem følgende redoxreaktion ved brug af halvreaktioner:
   MnO₄⁻ (aq) + I⁻ (aq) ⟶ Mn²⁺ (aq) + I₂ (s)
   (Tip: Start med at opdele reaktionen i oxidation og reduktion halvreaktioner)

 

Opgave 3

Bestem oxidationstal for svovl (S) i følgende forbindelser:
   a) H₂SO₄  
   b) SO₂  
   c) Na₂S₂O₃

 

Opgave 4

Betragt følgende redoxreaktion:

KBr (aq) + Cl₂ (g) ⟶ KCl (aq) + Br₂ (aq)


Identificer hvilke stoffer der bliver oxideret og reduceret. 
Bestem oxidationstal for brom (Br) før og efter reaktionen.

Opgave 5