Allmänt om redoxreaktioner

Redoxreaktioner är en mycket vanlig typ av kemiska reaktioner, och är viktiga för att förstå vitt skilda ämnen såsom elektricitet, korrosion och biokemi. Här går vi igenom de grundläggande begreppen oxidation/reduktion och oxidationsmedel/reduktionsmedel. I menyn hittar du mer specifika artiklar.

Redoxreaktioner är elektronövergångar

Redoxreaktioner är reaktioner där elektroner flyttar sig från ett ämne till ett annat, vilket antingen kan ske helt eller delvist.

Ett enkelt exempel på en fullständig elektronövergång är det som sker när en spik av järn placeras i en lösning av tvåvärda kopparjoner (videodemonstration här). Järnatomerna ger då bort två elektroner vardera till kopparjonerna, vilket skapar järnjoner och kopparatomer:

Reaktionsformel: Fe(s) + Cu(2+)(aq) bildar Fe(2+)(aq) + Cu(s).

Redoxreaktioner kan även innebära partiella (delvisa) elektronövergångar. Ta förbränningen av vätgas i syrgas som exempel:

\(\mathrm{2H_2(g) + O_2(g)\longrightarrow 2H_2O(g)}\,.\)

Här är det svårare att direkt upptäcka elektronövergången, men om vi skriver om reaktionsformeln med lewisstrukturer blir det lite tydligare. Titta särskilt noga på de rödmarkerade elektronerna:

Reaktionsformel med strukturformler: Två vätgasmolekyler (med rödmarkerade bindningselektroner) reagerar med en syrgasmolekyl. Då bildas en två vattenmolekyler med vars bindningar innehåller de rödmarkerade bindningselektronerna från vätgasen.

Från början är alla bindningar rent kovalenta, och de båda väteatomerna delar lika på de rödmarkerade elektronerna. Efter reaktionen har däremot polära kovalenta bindningar uppstått, där bindningselektronerna delas ojämnt. De starkt elektronegativa syreatomerna är nu de huvudsakliga ägarna till de rödmarkerade elektronerna, som väteatomerna tidigare hade för sig själva. En elektronövergång har alltså skett, från väte till syre, och reaktionen räknas därför som en redoxreaktion. Elektronövergången är dock inte fullständig utan partiell; syreatomerna är inte tillräckligt elektronegativa för att helt och hållet sno åt sig bindningselektronerna.

Prova nu gärna själv att identifiera elektronövergången i följande exempel:

Exempel 1Lösning

När natrium brinner i klorgas (videodemonstration här) bildas saltet natriumklorid enligt redoxreaktionen

\(\mathrm{2Na(s) + Cl_2(g) \longrightarrow 2NaCl(s)\,.}\)

Vilket ämne avger elektroner, och vilket ämne tar upp elektroner?

Vid den här reaktionen avger de två natriumatomerna sina valenselektroner (en elektron vardera) till de två kloratomerna. Då bildas natriumjoner (Na+) och kloridjoner (Cl), som förenas till ett salt.

Reaktionsformel med lewisstrukturer. Två natriumatomer (med rödmarkerade valenselektroner) reagerar med en klorgasmolekyl. Då bildas två formelenheter natriumklorid (där kloridjonerna har en rödmarkerad elektron från natrium vardera).

Elektronövergången sker alltså från natrium till klor. Detta kan vi skriva in i reaktionsformeln så här:

Reaktionsformel: 2Na(s) + Cl2(g) bildar 2NaCl(s).

Oxidation och reduktion

Ett sätt att förstå en redoxreaktion är att tänka sig den som summan av två delsteg: en reduktion och en oxidation.

En oxidation är en process där ett ämne avger elektroner, antingen helt eller delvis.

En reduktion är en process där ett ämne tar upp elektroner, antingen helt eller devis.

I vårt första exempel, med järnet och kopparjonerna, kan redoxreaktionen delas upp på följande sätt:

Det sker det en oxidation när järnet avger sina avger sina elektroner till kopparjonerna. Det sker även en reduktion i och med att kopparjonerna tar upp järnets elektroner. Detta kan man uttrycka som att järnet oxideras och att kopparjonerna reduceras.

För att vara extra tydliga kan vi även skriva upp tänka reaktionsformler för oxidationen och reduktionen:

\(\mathrm{\underline{Ox:}\:\: Fe \longrightarrow Fe^{2+} + \color{electron}{2e^-}}\)
\(\mathrm{\underline{Red:}\:\: Cu^{2+} + \color{red}{2e^-} \longrightarrow Cu}\,.\)

Notera dock att denna uppdelning i två separata delreaktioner bara är ett tankesätt, och inte en beskrivning av hur reaktionen verkligen sker. Under normala förhållande existerar nämligen aldrig fria elektroner, och en oxidation sker alltid samtidigt som en reduktion.

I det andra exemplet, med vätet och syret, gäller det på motsvarande sätt att vätet oxideras och syret reduceras. Vill man skriva upp reaktionsformler för oxidationen och reduktionen (vilket i allmänhet blir mycket krångligare när man sysslar med partiella elektronövergångar) skriver man så här:

\(\mathrm{\underline{Ox:}\:\: H_2 \longrightarrow 2H^+ + \color{red}{2e^-}}\)
\(\mathrm{\underline{Red:}\:\: O_2 + 4H^+ + \color{red}{4e^-} \longrightarrow 2H_2O}\,.\)

(En guide till hur man kommer fram till detta finns i vår artikel om redoxbalanseringar.)

Prova nu gärna som övning att dela upp reaktionen mellan natrium och klorgas i en oxidation och reduktion:

Exempel 2Lösning a)Lösning b)

a) Avgör vilket ämne som oxideras och vilket ämne reduceras vid följande redoxreaktion:

\(\mathrm{2Na(s) + Cl_2(g) \longrightarrow 2NaCl(s)\,.}\)

b) Skriv upp tänka reaktionsformler för oxidationen och reduktionen.

Vi har redan konstaterat att elektronövergången går från natrium till klor på följande sätt:

Reaktionsformel: 2Na(s) + Cl2(g) bildar 2NaCl(s). Två elektroner överförs från två natriumatomer till två kloratomer.

Alltså är det natrium som oxideras (förlorar/avger elektroner) och klor och reduceras (får/upptar elektroner).

Oxidationsreaktionen består av att natrium avger sin elektron bildas natriumjoner:

\(\mathrm{\underline{Ox:}\:Na \longrightarrow Na^+ + e^-}\,.\)

Reduktionsreaktionen består av att klorgasmolekylerna tar upp elektroner och bildar kloridjoner:

\(\mathrm{\underline{Red:}\:Cl_2 + 2e^- \longrightarrow 2Cl^-}\,.\)

Oxidations- och reduktionsmedel

Ytterligare ett par viktiga begrepp är oxidations- och reduktionsmedel.

Ett oxidationsmedel är ett ämne som tar upp elektroner, och därigenom får andra ämnen att oxideras.

Ett reduktionsmedel är ett ämne som ger bort elektroner, och därigenom får andra ämnen att reduceras.

Det är vanligt att dessa begrepp upplevs som förvirrande och lite ”bakvända” första gången man stöter på dem. Låt oss därför titta noggrant på ett par exempel.

I exemplet med järnet och kopparjonerna har vi redan konstaterat att järnet oxideras och kopparn reduceras. Det är tack varje att järnet avger elektroner, som kopparn kan reduceras. Därför säger man att järnet fungerar som reduktionsmedel. På motsvarande sätt är det tack vare att kopparjonerna tar upp elektroner, som järnet kan oxideras. Man säger därför att kopparjonerna fungerar som oxidationsmedel.

Reaktionsformel: Fe(s) + Cu(2+)(aq) bildar Fe(2+)(aq) + Cu(s). Två elektroner överförs. Järnet oxideras, kopparjonerna reduceras. Järnet är reduktionsmedel, koppar är oxidationsmedel.

I vårt andra exempel är det vätet som fungerar som reduktionsmedel, medan syret fungerar som oxidationsmedel:

Reaktionsformel med strukturer: två vätgasmolekyler reagerar med en syrgasmolekyl och bildar två vattenmolekyler. Vätet oxideras, syret reduceras. Vätet agerar reduktionsmedel, syret oxidationsmedel.

Prova nu att applicera dessa begrepp på exemplet med natriumet och klorgasen:

Exempel 3Lösning

Avgör vilket ämne som är oxidationsmedel och vilket ämne som är reduktionsmedel i reaktionen

\(\mathrm{2Na(s) + Cl_2(g) \longrightarrow 2NaCl(s)\,.}\)

Elektroner flyttas från natrium till klor:

Reaktionsformel: 2Na(s) + Cl2(g) bildar 2NaCl(s). Två elektroner överförs från två natriumatomer till två kloratomer.

Det är klorgasen som får natrium att oxideras (genom att ta upp natriums elektroner). Alltså fungerar klorgasen som oxidationsmedel.

Det är natrium som får klor att reduceras (genom att att ge bort elektroner till klor). Alltså fungerar natrium som reduktionsmedel.

Sammanfattning

Att ett ämne oxideras betyder att det avger elektroner. Samtidigt fungerar det som ett reduktionsmedel, eftersom elektronerna det avger får ett annat ämne att reduceras.

Att ett ämne reduceras betyder att det tar upp elektroner. Samtidigt fungerar det som ett oxidationsmedel, eftersom upptagandet av elektroner får ett annat ämne att oxideras.

Kommentar: Man kan dels tala om att en viss atom i ett ämne oxideras/reduceras, och dels tala om att hela ämnet som atomen är en del av oxideras/reduceras. När man talar om oxidationsmedel/reduktionsmedel är det vanligast att man bara talar om hela ämnen.

Övningsuppgifter

Testa dig själv med följande övningsuppgifter.

Övningsuppgift 1Lösning

Avgör, för redoxreaktionen

\( \mathrm{2K(s) + Br_2(l) \longrightarrow\, 2KBr(s)}\,,\)

vilket ämne som oxideras och vilket ämne som reduceras.

Detta är nästan identiskt med exempel 1 och 2 (gå gärna tillbaka och jämför!). Här uttrycker vi lösningen på ett lite annorlunda sätt:

Kaliumbromid är en kemisk förening mellan en alkalimetall och en halogen. Med hjälp av våra kunskaper om periodiska systemet och ädelgasskal inser vi därför att det är ett salt som består av positivt laddade kaliumjoner (K+) och negativt laddade bromidjoner (Br). Vi kan därmed dra slutsatsen att de oladdade kaliumatomerna, som vi hade före reaktionen, har avgett elektroner och genomgått en oxidation. Brommolekylerna har så sin sida tagit upp elektroner, och genomgått en reduktion.

Slutsats: Kalium oxideras, och brom reduceras.

Övningsuppgift 2Lösning a)Lösning b)
Identifiera

a) oxidationen och reduktionen

b) oxidationsmedlet och reduktionsmedlet

för redoxreaktionen

\( \mathrm{Fe^{2+}(aq) + Ag^{+}(aq) \longrightarrow\, Fe^{3+}(aq) + Ag(s)}\,. \)

Järn går från att ha laddningen 2+ till att ha laddningen 3+. Varje järnjon avger alltså en elektron enligt

\( \mathrm{Fe^{2+} \longrightarrow Fe^{3+} + e^-}\,.\)

Detta är oxidationen.

Silver, å andra sidan, går från att ha laddningen 1+ till att ha laddningen 0. Varje silveratom tar alltså upp en elektron enligt

\( \mathrm{Ag^{+} + e^- \longrightarrow Ag}\,.\)

Detta är reduktionen.

I a) såg vi att järnjonerna oxideras och att silverjonerna reduceras.

Det ämne som oxideras är alltid reduktionsmedlet, medan det ämne som reduceras alltid är oxidationsmedlet.

Slutsats: Fe2+ är reduktionmedel, och Ag+ är oxidationsmedel.

Övningsuppgift 3 (medlemsuppgift)
Här finns en extra övningsuppgift om partiella elektronövergångar för dig med ett studentkonto eller skolkonto.
Övningsuppgift 4*Lösning a)Lösning b)Lösning c)

a) Identifiera den huvudsakliga elektronövergången i följande redoxreaktion:

\( \mathrm{CH_4(g) + 2O_2(g) \longrightarrow\, CO_2(g) + 2H_2O(g)}\,.\)

b) Vilket ämne är det som oxideras och vilket ämne är det som reduceras?

c) Vilket av ämnena är oxidationsmedlet och vilket är reduktionsmedlet?

Detta är ett svårt exempel som blir avsevärt lättare om man använder oxidationstal (se sista uppgiften i artikeln) för att ”bokföra” elektronerna.

Vi ritar precis som i tidigare exempel upp lewisstrukturer för reaktanterna och produkterna (detta är dock ett alltför komplicerat exempel för att man ska kunna färglägga elektronerna på något självklart sätt):

ch4-o2

I metanet binder kolet fyra väteatomer, som alla är väldigt svagt elektronegativa. Kolatomen "äger" därmed elektronerna i alla bindningarna till stor del, eftersom den är den mest elektronegativa atomen. Kolatomen har alltså nästan åtta valenselektroner för sig själv.

Bindningen i syreatomen är rent kovalent, eftersom de båda syreatomerna är lika elektronegativa. Alltså delar de lika på sina valenselektroner, och har alltså sex valenselektroner vardera.

Om vi nu låter metanet reagera med syrgas och bilda koldioxid och vatten kommer saker och ting förändras.

Kolatomerna kommer att gå från att binda till svagt elektronegativa väteatomer till mycket starkt elektronegativa syreatomer i koldioxiden. Efter reaktionen har kolatomen därför knappt några valenselektroner för sig själv, medan de båda syreatomerna nu har nästan åtta valenselektroner vardera. Under reaktionen minskar alltså elektrontätheten runt kolatomerna, samtidigt som den ökar hos syreatomerna.

Väteatomerna går från att binda till en relativt elektronegativ kolatom till en mycket elektronegativ syreatom. Detta innebär att även elektrontätheten runt väteatomerna minskar något. Denna förändring är dock inte så betydelsefull, och är något man vanligtvis bortser ifrån.

Slutsats: Den huvudsakliga elektronövergången vid redoxreaktionen går från kolet till syret.

Eftersom kolet blir av med elektroner är det kolet som genomgår en oxidation.

Eftersom syret får elektroner är det syret som genomgår en reduktion.

Slutsats: Kolet oxideras och syret reduceras.

Eftersom syret tar elektroner från kolet, är det syret som gör så att kolet oxideras. Det är med andra ord syrgasen som är oxidationsmedlet.

Eftersom kolet i metangasen ger bort elektroner till syret, är det tack vare metangasen som syret reduceras. Det är alltså metan som är reduktionsmedlet.

I menyn till vänster hittar du fler artiklar om redoxreaktioner. Bland annat kan du läsa om vilka redoxreaktioner som är spontanta, och vilka som inte är det, samt hur så kallade oxidationstal kan användas för att balansera reaktionsformler.

Artikeln skriven av Oskar Henriksson och Matias Ekstrand. Lämna feedback / ställ en fråga.
Publicerad 20 juni 2016. Senast uppdaterad 4 december 2016.

Comments are closed