17.1 Upprifjun á oxunar-afoxunarhvörfum

Þar sem hvörf sem fela í sér rafeindaflutning eru mikilvæg í rafefnafræði er hér stutt upprifjun á oxunar-afoxunarefnafræði. Hún tekur saman og dýpkar efni úr fyrri kafla (sjá kafla um efnamagnfræði hvarfa). Lesendum sem vilja frekari upprifjun er bent á kaflann um efnamagnfræði hvarfa.

Oxunartölur

Samkvæmt skilgreiningu er oxunar-afoxunarhvarf hvarf þar sem oxunartala (eða oxunarstig) eins eða fleiri frumefna breytist. Oxunartala frumefnis í efnasambandi er í raun mat á því hvernig rafeindaumhverfi atóma þess er frábrugðið rafeindaumhverfi atóma hreina frumefnisins. Samkvæmt þessari lýsingu er oxunartala atóms í frumefni núll. Fyrir atóm í efnasambandi er oxunartalan jöfn þeirri hleðslu sem atómið hefði ef efnasambandið væri jónaefni. Af þessum reglum leiðir að summa oxunartalna allra atóma í sameind er jöfn hleðslu sameindarinnar. Til að skýra þetta kerfi verða tekin dæmi úr tveimur flokkum efnasambanda, jónaefnum og samgildum efnum.

Einföld jónasambönd eru einföldustu dæmin til að skýra þetta kerfi, þar sem oxunartölur frumefnanna eru samkvæmt skilgreiningu tölulega jafngildar jónahleðslunum. Natríumklóríð, NaCl, samanstendur af Na⁺-katjónum og Cl⁻-anjónum, og því eru oxunartölur fyrir natríum og klór +1 og −1, í þessari röð. Kalsíumflúoríð, CaF₂, samanstendur af Ca²⁺-katjónum og F⁻-anjónum, og því eru oxunartölur fyrir kalsíum og flúor +2 og −1, í þessari röð.

Samgild efnasambönd krefjast flóknari notkunar á þessu kerfi. Vatn er samgilt efnasamband þar sem hver sameind samanstendur af tveimur H-atómum sem tengjast hvort í sínu lagi miðlægu O-atómi með skautuðum samgildum O−H tengjum. Rafeindirnar sem mynda O−H tengin dragast sterkar að rafneikvæðara O-atóminu og því fær það neikvæða hluthleðslu í vatnssameindinni (miðað við O-atóm í hreinu súrefni). Þar af leiðandi hafa H-atómin í vatnssameindinni jákvæða hluthleðslu miðað við H-atóm í hreinu vetni. Summa neikvæðra og jákvæðra hluthleðslna fyrir hverja vatnssameind er núll og vatnssameindin er hlutlaus.

Ímyndum okkur að skautun sameiginlegu rafeindanna í O−H tengjum vatns væri 100% fullkomin - niðurstaðan yrði flutningur rafeinda frá H til O, og vatn væri jónasamband sem samanstæði af O²⁻-anjónum og H⁺-katjónum. Því eru oxunartölur fyrir súrefni og vetni í vatni −2 og +1, í þessari röð. Ef sömu rökfræði er beitt á koltetraklóríð, CCl₄, fást oxunartölurnar +4 fyrir kolefni og −1 fyrir klór. Í nítratjóninni, NO₃⁻, er oxunartala köfnunarefnis +5 og súrefnis −2, sem samanlagt jafngildir 1− hleðslu jónarinnar:

Að stilla oxunar-afoxunarjöfnur

Óstillta jafnan hér að neðan lýsir sundrun bráðins natríumklóríðs:

Þetta efnahvarf uppfyllir skilyrði fyrir flokkun sem oxunar-afoxunarhvarf, þar sem oxunartala Na lækkar úr +1 í 0 (það afoxast) og oxunartala Cl hækkar úr −1 í 0 (það oxast). Auðvelt er að stilla jöfnuna í þessu tilfelli með því að skoða hana, en hún krefst hlutfallsstuðlanna 2 fyrir NaCl og Na:

Oxunar-afoxunarhvörf sem eiga sér stað í vatnslausnum eru algeng í rafefnafræði, og mörg þeirra fela í sér vatn eða einkennandi jónir þess, H⁺(aq) og OH⁻(aq), sem hvarfefni eða myndefni. Í þessum tilfellum getur verið mjög erfitt að stilla jöfnur sem lýsa oxunar-afoxunarhvarfinu með því einu að skoða þær, og þá er gagnlegt að nota kerfisbundna nálgun sem kallast hálfhvarfaaðferðin. Þessi nálgun felur í sér eftirfarandi skref:

1. Skrifaðu beinagrindarjöfnur fyrir oxunar- og afoxunarhálfhvörfin.
2. Stilltu hvert hálfhvarf fyrir öll frumefni nema H og O.
3. Stilltu hvert hálfhvarf fyrir O með því að bæta við H₂O.
4. Stilltu H í hvoru hálfhvarfi fyrir sig með því að bæta við H⁺.
5. Jafnaðu hleðslu í hvoru hálfhvarfi fyrir sig með því að bæta við rafeindum.
6. Ef þörf krefur skal margfalda annað eða bæði hálfhvörfin þannig að fjöldi rafeinda sem eyðist í öðru sé jafn þeim fjölda sem myndast í hinu.
7. Leggið hálfhvörfin tvö saman og einfaldið.
8. Ef hvarfið fer fram í basískri lausn skal bæta OH⁻-jónum við jöfnuna sem fékkst í skrefi 7 til að hlutleysa H⁺-jónirnar (bætið jafn mörgum beggja vegna jöfnunnar) og einfalda.

Dæmin hér að neðan sýna hvernig þessari aðferð er beitt til að stilla jöfnur fyrir oxunar-afoxunarhvörf í vatnslausn.