Hapettuminen-pelkistyminen

Hapettumis-pelkistymisreaktioissa tarkastellaan elektronin siirtymistä.

aine (pelkistin) - e^{- _}> aine (hapettuu) 
aine (hapetin) + e^{- _}> aine (pelkistyy) 

Koska vapaita elektroneja ei luonnossa esiinny, tapahtuvat hapettumis-pelkistymisreaktiot aina rinnakkain

Ioneja sisältävä vesiliuos voi toimia sähköjohtimena. Jos tällaiseen liuokseen asetetaan kaksi elektrodia ja näihin johdetaan vastakkaismerkkinen sähkövaraus, kulkee liuoksen läpi sähkövirta ja kemiallisia reaktioita tapahtuu kummallakin elektrodilla. Anodireaktioita sanotaan hapettumisreaktioiksi ja katodireaktioita pelkistysreaktioiksi. Puhtaassa vedessä elektronisiirtoreaktiot tapahtuvat hyvin hitaasti, kun taas merivedessä ne voivat olla hyvinkin nopeat.

Hapen ja hiilen lisäksi myös monet muut aineet osallistuvat luonnon hapettumis-pelkistymisreaktioihin - N, S, ja useat metallit, mm. Fe ja Mn.

O₂ + 4 H⁺ + 4 e^{- _}> 2 H₂O (hapen pelkistyminen)
4 Fe^{++ _}> 4 Fe⁺⁺⁺ + 4 e^- (raudan hapettuminen)
_________________________________________________
O₂ + 4 H⁺ + 4 Fe^{++ _}> 2 H₂O + 4 Fe⁺⁺⁺ (kokonaisreaktio)

Happi on voimakkain luonnossa yleisesti esiintyvä hapetin, eli happi pyrkii aina sieppaamaan ympäristöstään elektroneja pelkistyäkseen itse. Siksi sen hapettava voima määrä aina aerobisten olosuhteiden hapettumis-pelkistymis-tasapainon. Alkuaineen (myös yhdisteen) hapettumista tai pelkistymistä kuvataan sen hapettumisasteen muutoksella.

Tietyssä olomuodossa olevan alkuaineen hapetusluku on se varaus, joka sillä on siinä reaktiossa, johon se ottaa osaa. Hapetusaste määritellään seuraavasti:

- yksiatomisen aineen hapetusluku on sen varaus
- kemiallisessa yhdisteessä aineen hapetusluku on se varaus, joka aineelle jää, kun kemiallisen sidoksen muodostava elektronipari ajatellaan siirretyksi elektronegatiivisemmalle atomille
- hapetuslukujen summa on 0 neutraaleille molekyyleille ja - tai = ionivaraus ionille
- yhdisteessä yleensä hapen hapetusluku on -2 ja vetyn +1

Esimerkkejä:
NH₃ (ammoniakki) N: -3, H: +1
N₂ (typpi) N:0
NO₃^- (nitraatti-ioni) N: +5, O: -2
NO₂^- (nitriitti-ioni) N: +3, O: -2
H₂S (rikkivety) H: +1, S: -2
S₂O₃⁼ (tiosulfaatti) S: +2, O: -2
SO₂⁼ (sulfaatti-ioni) S: +6, O: -2
HCO₃^- (bikarbonaatti) H: +1, C: +4, O: -2
HCOOH (muurahaishappo) H: +1, C: +2, O: -2
CH₄ (metaani) C: -4, H: +1
CO₂ (hiilidioksidi) C: +4, O: -2

Vesiympäristössä, kuten merivedessä, on erilaisia vaikuttavia hapettumis-pelkistymis-systeemejä:
O₂ (g) + 4H⁺ + 4e^- = 2H₂O (l)
Fe³⁺ + e^- = Fe²⁺
Mn⁴⁺ + 2e^- = Mn²⁺
NO₃^- + 2H⁺ + 2e^- = NO₂- + H₂O
NO₃^- + 10H⁺ + 8e^- = NH₄⁺ + 3H₂O
NO₂^- + 8H⁺ + 6e^- = NH₄⁺ + 2H₂O
SO₄^2- + 10H⁺ + 8e^- = H₂S (g) + 4H₂O
N₂ (g) + 8H⁺ + 6e^- = 2 NH₄⁺
CO₂ (g) + 4H⁺ + 4e^- = CH₂O + H₂O

On kuitenkin otettava huomioon, että useat hapettumis-pelkistymisreaktiot kulkevat kahden tai useamman osareaktion kautta.

Takaisin