44 Efnamagnfræði efnahvarfa

4.2 Flokkun efnahvarfa

Námsmarkmið

Að loknum þessum kafla munt þú geta:

skilgreint þrjár algengar tegundir efnahvarfa (botnfallshvörf, sýru-basahvörf og oxunar-afoxunarhvörf)
flokkað efnahvörf í eina af þessum þremur tegundum út frá viðeigandi lýsingum eða efnajöfnum
greint algengar sýrur og basa
spáð fyrir um leysni algengra ólífrænna efnasambanda með því að nota leysnireglur
reiknað út oxunarstig frumefna í efnasamböndum

Menn eiga í margvíslegum og flóknum samskiptum hver við annan og við flokkum þessi samskipti eftir algengum hegðunarmynstrum. Þegar tveir menn skiptast á upplýsingum segjum við að þeir eigi í samskiptum. Þegar þeir skiptast á höggum með hnefum eða fótum segjum við að þeir séu að slást. Vísindamenn standa frammi fyrir fjölbreyttum víxlverkunum milli efna. Þeim hefur sömuleiðis þótt hentugt (eða jafnvel nauðsynlegt) að flokka efnahvörf með því að bera kennsl á algeng hvarfmynstur. Í þessum kafla verður fjallað um þrjár af algengustu tegundum efnahvarfa: botnfallshvörf, sýru-basahvörf og oxunar-afoxunarhvörf.

Botnfallshvörf og leysnireglur

Botnfallshvarf er hvarf þar sem uppleyst efni hvarfast og mynda eitt (eða fleiri) föst efni. Mörg slík hvörf fela í sér jónaskipti milli jónaefna í vatnslausn og kallast stundum tvískiptihvörf, tvíkiptingarhvörf eða víxlhvörf. Þessi hvörf eru algeng í náttúrunni og valda til dæmis myndun kóralrifja í sjó og nýrnasteina í dýrum. Þau eru mikið notuð í iðnaði til framleiðslu á ýmsum almennum efnum og sérhæfðum efnum. Botnfallshvörf gegna einnig lykilhlutverki í mörgum efnagreiningaraðferðum. Þar má nefna dropapróf til að greina málmjónir og þyngdargreiningu til að ákvarða efnasamsetningu (sjá síðasta hluta þessa kafla).

Það hversu vel efni leysist upp í vatni, eða öðrum leysi, er tjáð megindlega með leysni þess. Hún skilgreinist sem hámarksstyrkur efnis sem hægt er að ná fram við tilteknar aðstæður. Efni með tiltölulega mikla leysni kallast leysanleg. Efni fellur út þegar aðstæður í lausn eru þannig að styrkur þess fer yfir leysni þess. Efni með tiltölulega litla leysni kallast torleysanleg og það eru einmitt þau efni sem falla auðveldlega út úr lausn. Nánar er fjallað um þessi mikilvægu hugtök í síðari kafla um lausnir. Til að spá fyrir um hvaða föst efni myndast í botnfallshvörfum má einfaldlega styðjast við leysnimynstur sem þekkt eru fyrir mörg jónaefni (tafla 4.1).

Leysanleg jónaefni	innihalda þessar jónir	undantekningar
NH₄⁺; katjónir úr flokki 1: Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺	engar
Cl⁻, Br⁻, I⁻	efnasambönd með Ag⁺, Hg₂²⁺ og Pb²⁺
$F^{-}$	efnasambönd með málmkatjónum úr flokki 2, Pb²⁺ og Fe³⁺
C₂H₃O₂⁻, HCO₃⁻, NO₃⁻, ClO₃⁻	engar
${S O_{4}}^{2 -}$	efnasambönd með Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ og Sr²⁺
Óleysanleg jónaefni	innihalda þessar jónir	undantekningar
CO₃²⁻, CrO₄²⁻, PO₄³⁻, S²⁻	efnasambönd með katjónum úr flokki 1 og NH₄⁺
${O H}^{-}$	efnasambönd með katjónum úr flokki 1 og Ba²⁺

Skýrt dæmi um botnfellingu sést þegar lausnum af kalíumjoðíði og blýnítrati er blandað saman. Við það myndast fast blýjoðíð:

2 KI (aq) + Pb {({NO}_{3})}_{2} (aq) ⟶ {PbI}_{2} (s) + 2 {KNO}_{3} (aq)

Þessi athugun er í samræmi við viðmiðunarreglur um leysni. Eina óleysanlega efnasambandið af þeim sem hér koma við sögu er blýjoðíð, en það er ein af undantekningunum frá almennri leysni joðíðsalta.

Nettójónajafnan sem lýsir þessu efnahvarfi er:

{Pb}^{2+} (aq) + 2 I^{−} (aq) ⟶ {PbI}_{2} (s)

Blýjoðíð er skærgult fast efni sem áður var notað sem litarefni listamanna og kallaðist joðgult (mynd 4.4). Eiginleikar hreinna PbI₂ kristalla gera þá gagnlega við framleiðslu á röntgen- og gammageislaskynjurum.

Ljósmynd sýnir gulgrænt ógegnsætt efni sem þyrlast um í tærum, litlausum vökva í tilraunaglasi. — **Mynd 4.4.** Botnfall af PbI₂ myndast þegar lausnum sem innihalda Pb²⁺ og I⁻ er blandað saman. (mynd: Der Kreole/Wikimedia Commons)

Hægt er að nota viðmiðunarreglur um leysni í töflu 4.1 til að spá fyrir um hvort botnfelling eigi sér stað þegar lausnum af leysanlegum jónaefnum er blandað saman. Aðeins þarf að greina allar jónir í lausninni og íhuga síðan hvort möguleg pörun katjónar og anjónar gæti leitt til óleysanlegs efnasambands. Til dæmis mun blöndun lausna af silfurnítrati og natríumklóríði gefa lausn sem inniheldur Ag⁺, ${N O_{3}}^{-},$ Na⁺ og Cl⁻ jónir. Fyrir utan jónaefnin tvö sem upphaflega voru í lausnunum, AgNO₃ og NaCl, er hægt að mynda tvö viðbótarjónaefni úr þessum jónum: NaNO₃ og AgCl. Viðmiðunarreglur um leysni gefa til kynna að öll nítratsölt séu leysanleg en að AgCl sé óleysanlegt. Því er spáð að botnfelling eigi sér stað, eins og lýst er með eftirfarandi jöfnum:

\begin{matrix} NaCl (aq) + {AgNO}_{3} (aq) ⟶ AgCl (s) + NaN O_{3} (aq) (sameindajafna) \\ {Ag}^{+} (aq) + {Cl}^{−} (aq) ⟶ AgCl (s) (nettójónajafna) \end{matrix}

Dæmi 4.3

Spáð fyrir um botnfellingarhvörf

Spáið fyrir um niðurstöðuna þegar sæmilega sterkum lausnum af eftirfarandi jónaefnum er blandað saman. Ef búist er við botnfellingu skal skrifa stillta nettójónajöfnu fyrir efnahvarfið.

(a) kalíumsúlfat og baríumnítrat

(b) litíumklóríð og silfurasetat

Lausn

(a) Mögulegu myndefnin tvö fyrir þessa blöndu eru KNO₃ og BaSO₄. Leysnireglurnar gefa til kynna að BaSO₄ sé óleysanlegt og því má búast við botnfallshvarfi. Nettójónajafnan fyrir þetta hvarf, leidd út með aðferðinni sem lýst var í fyrri hlutanum, er

{Ba}^{2+} (aq) + {SO}_{4}^{2−} (aq) ⟶ {BaSO}_{4} (s)

(b) Mögulegu myndefnin tvö fyrir þessa blöndu eru LiC₂H₃O₂ og AgCl. Leysnireglurnar gefa til kynna að AgCl sé óleysanlegt og því má búast við botnfallshvarfi. Nettójónajafnan fyrir þetta hvarf, leidd út á þann hátt sem lýst er í fyrri kafla, er

{Ag}^{+} (aq) + {Cl}^{−} (aq) ⟶ AgCl (s)

(c) Mögulegu myndefnin tvö fyrir þessa blöndu eru PbCO₃ og NH₄NO₃. Leysnireglurnar gefa til kynna að PbCO₃ sé óleysanlegt og því má búast við botnfallshvarfi. Nettójónajafnan fyrir þetta hvarf, leidd út á þann hátt sem lýst er í fyrri kafla, er

{Pb}^{2+} (aq) + {CO}_{3}^{2−} (aq) ⟶ {PbCO}_{3} (s)

Prófaðu þig

Hvaða lausn mætti nota til að fella út baríumjónina, Ba²⁺, úr vatnssýni: natríumklóríð, natríumhýdroxíð eða natríumsúlfat? Hver er formúla botnfallsins sem búast má við?

Sýru-basahvörf

Sýru-basahvarf er hvarf þar sem vetnisjón, H⁺, flyst frá einni efnategund til annarrar. Slík hvörf skipta sköpum fyrir fjölmörg náttúruleg og tæknileg ferli. Þar má nefna efnabreytingar sem eiga sér stað í frumum, vötnum og höfum, sem og iðnaðarframleiðslu á áburði, lyfjum og öðrum efnum sem eru samfélaginu nauðsynleg. Sýru-basaefnafræði verðskuldar því ítarlega umfjöllun og er heill kafli helgaður þessu efni síðar í bókinni.

Í þessum stutta inngangi verður aðeins fjallað um algengustu tegundir sýru-basahvarfa sem eiga sér stað í vatnslausnum. Í þessu samhengi er sýra efni sem leysist upp í vatni og myndar oxóníumjónir, H₃O⁺. Sem dæmi má skoða jöfnuna sem hér er sýnd:

HCl (aq) + H_{2} O (l) ⟶ {Cl}^{−} (aq) + H_{3} O^{+} (aq)

Ferlið sem þessi jafna lýsir staðfestir að vetnisklóríð er sýra. Þegar það leysist upp í vatni myndast H₃O⁺-jónir við efnahvarf þar sem H⁺-jónir flytjast frá HCl-sameindum til H₂O-sameinda (mynd 4.5).

Þessi mynd sýnir tvær flöskur, merktar a og b. Báðar flöskurnar eru lokaðar með töppum og eru næstum þrír fjórðu hlutar fullar af vökva. Flaska a er merkt H C l og síðan g í sviga. Í vökvanum eru um það bil tuttugu rýmislíkön af sameindum sem samanstanda af einni rauðri kúlu og tveimur smærri hvítum kúlum sem tengjast henni. Merkingin H með lágvísinum 2 O og síðan q í sviga er tengd með striki við eitt þessara líkana. Í rýminu fyrir ofan vökvann í flöskunni eru sýnd fjögur rýmislíkön af sameindum sem samanstanda af einni stærri grænni kúlu sem smærri hvít kúla er tengd við. Við eitt þessara líkana er merkingin H C l og síðan g í sviga tengd með striki. Ör er teiknuð frá rýminu fyrir ofan vökvann og bendir niður í vökvann fyrir neðan. Flaska b er merkt H með lágvísinum 3 O og hávísinum plúsmerki, og síðan q í sviga. Á eftir þessu kemur plúsmerki og C l með hávísinum mínusmerki, sem einnig er fylgt eftir með q í sviga. Í þessari flösku eru engar sameindir sýndar í opna rýminu fyrir ofan vökvann. Merking, C l með hávísinum mínusmerki og síðan q í sviga, er tengd með striki við græna kúlu. Þessi kúla er umkringd fjórum sameindum sem hver samanstendur af einni rauðri kúlu og tveimur smærri hvítum kúlum. Nokkrar af þessum sömu sameindum birtast aðskildar frá grænu kúlunum í vökvanum. Strik tengir eina þeirra við merkinguna H með lágvísinum 2 O sem er fylgt eftir með l í sviga. Þar eru nokkrar sameindir myndaðar úr einni miðlægri stærri rauðri kúlu sem þrjár smærri hvítar kúlur eru tengdar við. Strik er dregið frá einni af þessum til merkingarinnar H með lágvísinum 3 O og hávísinum plúsmerki, og síðan q í sviga. — **Mynd 4.5.** Þegar vetnisklóríðgas leysist upp í vatni (a) hvarfast það sem sýra og flytur róteindir til vatnssameinda til að mynda (b) oxóníumjónir (og vatnsleystar klóríðjónir).

Hvarf HCl við vatn, eins og nýlega var lýst, gengur í raun nánast að fullu: Nánast hver einasta HCl-sameind sem leysist upp í vatni tekur þátt í þessu hvarfi. Sýrur sem hvarfast að fullu á þennan hátt kallast sterkar sýrur og HCl er eitt af fáum algengum sýrusamböndum sem flokkast sem sterk (tafla 4.2). Mun meiri fjöldi efnasambanda hegðar sér sem veikar sýrur og hvarfast aðeins að hluta til við vatn. Þá verður mikill meirihluti uppleystra sameinda eftir í upprunalegu formi og aðeins lítill hluti þeirra jónast.

{CH}_{3} {CO}_{2} H (aq) + H_{2} O (l) ⇌ {CH}_{3} {CO}_{2}^{−} (aq) + H_{3} O^{+} (aq)

Þegar hún er leyst upp í vatni við hefðbundnar aðstæður eru aðeins um 1% ediksýrusameinda á jónuðu formi, ${C H_{3} C O_{2}}^{-}$ (mynd 4.6). (Notkun tvöfaldrar örvar í jöfnunni hér að ofan táknar að hvarfið gerist aðeins að hluta til, en það hugtak er tekið fyrir til fulls í köflunum um efnajafnvægi.)

Þessi mynd inniheldur tvær ljósmyndir og fylgir byggingarformúla hvorri þeirra í neðra vinstra horninu. Fyrri myndin er ljósmynd af ýmsum þunnt skornum, hringlaga sneiðum af sítrusávöxtum sem eru á litinn allt frá grænu til guls, yfir í appelsínugult og rauðgult. Sneiðunum er raðað þétt saman á hvítum bakgrunni. Byggingarformúlan með þessari mynd sýnir miðlæga keðju fimm C-frumeinda. Vinstasta C-frumeindin er með O-frumeind tvítengda fyrir ofan og til vinstri og eintengda O-frumeind fyrir neðan og til vinstri. Þessi eintengda O-frumeind er með H-frumeind merkta með rauðu á vinstri hlið hennar sem er auðkennd með bleiku. Önnur C-frumeindin frá vinstri er með H-frumeindir tengdar fyrir ofan og neðan. Þriðja C-frumeindin er með eintengda O-frumeind fyrir ofan sem hefur H-frumeind hægra megin við sig. Þessi þriðja C-frumeind er með C-frumeind tengda fyrir neðan sig sem hefur O-frumeind tvítengda fyrir neðan og til vinstri og eintengda O-frumeind fyrir neðan og til hægri. H-frumeind birtist í rauðu og er auðkennd með bleiku hægra megin við eintengdu O-frumeindina. Fjórða C-frumeindin er með H-frumeindir tengdar fyrir ofan og neðan. Fimmta C-frumeindin er á hægri enda byggingarinnar. Hún er með O-frumeind tvítengda fyrir ofan og til hægri og eintengda O-frumeind fyrir neðan og til hægri. Þessi eintengda O-frumeind er með rauða H-frumeind á hægri hlið sinni sem er auðkennd með bleiku. Seinni myndin er ljósmynd af ediksflöskum. Flöskurnar eru merktar „Balsamic Vinegar“ og virðast vera glærar og litlausar. Vökvinn í þessari flösku virðist vera brúnn. Byggingarformúlan sem fylgir þessari mynd sýnir keðju tveggja C-frumeinda. Vinstasta C-frumeindin er með H-frumeindir tengdar fyrir ofan, neðan og til vinstri. C-frumeindin til hægri er með tvítengda O-frumeind fyrir ofan og til hægri og eintengda O-frumeind fyrir neðan og til hægri. Þessi O-frumeind er með H-frumeind tengda sér til hægri sem er auðkennd með bleiku. — **Mynd 4.6.** (a) Ávextir eins og appelsínur, sítrónur og greipaldin innihalda veiku sýruna sítrónusýru. (b) Edik inniheldur veiku sýruna ediksýru. (mynd a: breytt verk eftir Scott Bauer; mynd b: breytt verk eftir Brücke-Osteuropa/Wikimedia Commons)

Algengar sterkar sýrur
Formúla efnasambands	Heiti í vatnslausn
HBr	vetnisbrómsýra
HCl	saltsýra
$H I$	vetnisjoðsýra
$H N O_{3}$	saltpéturssýra
HClO₄	perklórsýra
$H_{2} S O_{4}$	brennisteinssýra

Basi er efni sem leysist upp í vatni og myndar hýdroxíðjónir, OH⁻. Algengustu basarnir eru jónaefni sem samanstanda af katjónum alkalí- eða jarðalkalímálma (flokkar 1 og 2) ásamt hýdroxíðjóninni — til dæmis NaOH og Ca(OH)₂. Ólíkt sýrusamböndunum sem rædd voru áður, hvarfast þessi efni ekki efnafræðilega við vatn. Þess í stað leysast þau upp og klofna, og losa hýdroxíðjónir beint út í lausnina. Til dæmis leysast KOH og Ba(OH) 2 upp í vatni og klofna að fullu til að mynda katjónir (K⁺ og Ba²⁺, í sömu röð) og hýdroxíðjónir, OH⁻. Þessir basar, ásamt öðrum hýdroxíðum sem klofna að fullu í vatni, teljast til sterkra basa.

Tökum sem dæmi upplausn vítissóda (natríumhýdroxíðs) í vatni:

NaOH (s) ⟶ {Na}^{+} (aq) + {OH}^{−} (aq)

Þessi jafna staðfestir að natríumhýdroxíð er basi. Þegar NaOH leysist upp í vatni klofnar það og myndar Na⁺ og OH⁻-jónir. Þetta á einnig við um öll önnur jónaefni sem innihalda hýdroxíðjónir. Þar sem klofnunarferlið er nánast fullkomið þegar jónaefni leysast upp í vatni við hefðbundnar aðstæður, flokkast NaOH og önnur jónísk hýdroxíð öll sem sterkir basar.

Ólíkt jónískum hýdroxíðum mynda sum efnasambönd hýdroxíðjónir þegar þau leysast upp með því að hvarfast efnafræðilega við vatnssameindir. Í öllum tilvikum hvarfast þessi efnasambönd aðeins að hluta og flokkast því sem veikir basar. Þessar tegundir efnasambanda eru einnig algengar í náttúrunni og mikilvægar vörur í ýmsum tæknigreinum. Til dæmis er heimsframleiðsla á veika basanum ammoníaki venjulega vel yfir 100 milljónum tonna árlega. Það er mikið notað sem áburður í landbúnaði, sem hráefni til efnafræðilegrar framleiðslu annarra efnasambanda og sem virkt efni í hreinsiefnum til heimilisnota (mynd 4.7). Þegar ammoníak leysist upp í vatni hvarfast það að hluta til og myndar hýdroxíðjónir, eins og sýnt er hér:

{NH}_{3} (aq) + H_{2} O (l) ⇌ {NH}_{4}^{+} (aq) + {OH}^{−} (aq)

Þetta er samkvæmt skilgreiningu sýru-basahvarf, sem í þessu tilfelli felur í sér flutning á H⁺-jónum frá vatnssameindum til ammoníaksameinda. Við hefðbundnar aðstæður er aðeins um 1% af uppleystu ammoníaki til staðar sem NH₄⁺-jónir.

Þessi ljósmynd sýnir stóra landbúnaðardráttarvél á akri sem dregur úðara og stóran, hvítan sívalan tank sem er merktur „Varúð ammoníak.“ — **Mynd 4.7.** Ammóníak er veikur basi sem er notaður á margvíslegan hátt. (a) Hreint ammóníak er algengt sem áburður í landbúnaði. (b) Þynntar ammóníaklausnir eru áhrifarík heimilishreinsiefni. (mynd a: breytt verk eftir National Resources Conservation Service; mynd b: breytt verk eftir pat00139)

Hlutleysingarhvarf er ákveðin tegund sýru-basahvarfs þar sem hvarfefnin eru sýra og basi (en ekki vatn) og myndefnin eru oft salt og vatn.

sýra + basi ⟶ salt + vatn

Til að lýsa hlutleysingarhvarfi skulum við skoða hvað gerist þegar dæmigert sýrubindandi lyf, eins og magnesíumjólk (vatnslaus sviflausn af föstu Mg(OH)₂), er tekið inn til að hlutleysa magasýru.

Mg {(OH)}_{2} (s) + 2 HCl (aq) ⟶ {MgCl}_{2} (aq) + 2 H_{2} O (l).

Takið eftir að auk vatns myndar þetta hvarf salt, magnesíumklóríð.

Dæmi 4.4

Að rita jöfnur fyrir sýru-basahvörf

Skrifaðu stilltar efnajöfnur fyrir sýru-basahvörfin sem lýst er hér:

(a) veika sýran vetnishýpóklórít hvarfast við vatn

(b) lausn af baríumhýdroxíði er hlutleyst með lausn af saltpéturssýru

Lausn

(a) Hvarfefnin tvö eru gefin, HOCl og H₂O. Þar sem efnið er tilgreint sem sýra felur hvarf þess við vatn í sér flutning H⁺ frá HOCl til H₂O og myndun oxóníumjóna, H₃O⁺, og hýpóklórítjóna, OCl⁻.

HOCl (aq) + H_{2} O (l) ⇌ {OCl}^{−} (aq) + H_{3} O^{+} (aq)

Tvöföld ör á við í þessari jöfnu þar sem hún gefur til kynna að HOCl sé veik sýra sem hefur ekki hvarfast að fullu.

(b) Hvarfefnin tvö eru gefin, Ba(OH)₂ og HNO₃. Þar sem þetta er hlutleysingarhvarf verða myndefnin tvö vatn og salt sem samanstendur af katjón jóníska hýdroxíðsins (Ba²⁺) og anjóninni sem myndast þegar sýran flytur vetnisjón sína $({N O_{3}}^{-})$

Ba {(OH)}_{2} (aq) + 2 {HNO}_{3} (aq) ⟶ Ba ({NO}_{3})_{2} (aq) + 2 H_{2} O (l)

Prófaðu þig

Skrifaðu nettójónajöfnuna sem sýnir hlutleysingu hvaða sterku sýru sem er með jónísku hýdroxíði. (Ábending: Hugleiddu hvaða jónir myndast þegar sterk sýra er leyst upp í vatni.)

Efnafræði í daglegu lífi

Sýrubindandi lyf

Maginn í okkur inniheldur lausn sem er um það bil 0,03 M HCl og hjálpar okkur að melta matinn sem við borðum. Sviðinn sem fylgir brjóstsviða stafar af því að magasýra lekur upp í gegnum vöðvalokuna efst í maganum og ofan í neðsta hluta vélindans. Slímhúð vélindans nýtur ekki sömu verndar gegn ætandi áhrifum magasýrunnar og slímhúð magans, og afleiðingarnar geta verið mjög sársaukafullar. Þegar við fáum brjóstsviða líður okkur betur ef við drögum úr umframmagni sýru í vélindanu með því að taka sýrubindandi lyf. Eins og þú hefur ef til vill getið þér til um eru sýrubindandi lyf basar. Eitt algengasta sýrubindandi lyfið er kalsíumkarbónat, CaCO₃. Hvarfið,

{CaCO}_{3} (s) + 2 HCl (aq) ⇌ {CaCl}_{2} (aq) + H_{2} O (l) + {CO}_{2} (g)

hlutleysir ekki aðeins magasýruna heldur myndar einnig CO₂ (g), sem getur leitt til ánægjulegs ropa.

Magnesíumjólk er sviflausn af torleysanlega basanum magnesíumhýdroxíði, Mg(OH) 2. Hún virkar samkvæmt eftirfarandi hvarfi:

Mg {(OH)}_{2} (s) ⇌ {Mg}^{2+} (aq) + 2 {OH}^{−} (aq)

Hýdroxíðjónirnar sem myndast í þessu jafnvægi hvarfast síðan við oxóníumjónirnar úr magasýrunni, þannig að:

H_{3} O^{+} + {OH}^{−} ⇌ 2 H_{2} O (l)

Þetta hvarf myndar ekki koldíoxíð, en sýrubindandi lyf sem innihalda magnesíum geta haft hægðalosandi áhrif. Mörg sýrubindandi lyf innihalda álhýdroxíð, Al(OH)₃, sem virkt efni. Álhýdroxíðið hefur tilhneigingu til að valda hægðatregðu og því nota sum sýrubindandi lyf álhýdroxíð ásamt magnesíumhýdroxíði til að vega upp á móti aukaverkunum efnanna tveggja.

Efnafræði í daglegu lífi

Matreiðsluhlið efnafræðinnar

Dæmi um sýru-basaefnafræði eru algeng í matreiðsluheiminum. Eitt dæmi er notkun matarsóda, eða natríumbíkarbónats, við bakstur. NaHCO₃ er basi. Þegar hann hvarfast við sýru eins og sítrónusafa, áfir eða sýrðan rjóma í deigi, myndast loftbólur úr koldíoxíðgasi við niðurbrot kolsýrunnar sem verður til, og deigið „lyftir sér“. Lyftiduft er blanda af natríumbíkarbónati og einu eða fleiri sýrusöltum sem hvarfast þegar efnin tvö komast í snertingu við vatn í deiginu.

Mörgum þykir gott að setja sítrónusafa eða edik, sem bæði eru sýrur, á eldaðan fisk (mynd 4.8). Það vill svo til að fiskar hafa rokgjörn amín (basa) í líkama sínum, sem hlutleysast af sýrunum og mynda órokgjörn ammóníumsölt. Þetta dregur úr fisklyktinni og bætir einnig við „súru“ bragði sem okkur virðist líka vel.

Mynd 4.8. Hlutleysishvarf á sér stað milli sítrónusýru í sítrónum eða ediksýru í ediki og basanna í holdi fisksins.

Súrsun er aðferð sem notuð er til að varðveita grænmeti með því að nýta náttúrulega myndað súrt umhverfi. Grænmetið, til dæmis gúrka, er sett í lokaða krukku og sökkt í pækil. Pækillinn stuðlar að vexti gagnlegra baktería og bælir vöxt skaðlegra baktería. Gagnlegu bakteríurnar nærast á sterkju í gúrkunni og framleiða mjólkursýru sem úrgangsefni í ferli sem kallast gerjun. Mjólkursýran eykur að lokum sýrustig pækilsins upp í það mark að hún drepur allar skaðlegar bakteríur, sem krefjast basísks umhverfis. Án skaðlegu bakteríanna sem neyta gúrkanna geta þær geymst mun lengur en ef þær væru óvarðar. Aukaafurð súrsunarferlisins breytir bragði grænmetisins þar sem sýran gerir það súrt á bragði.

Oxunar- og afoxunarhvörf

Lofthjúpur jarðar inniheldur um 20% sameindasúrefni, O₂, sem er hvarfgjarnt gas og gegnir lykilhlutverki í efnaskiptum loftháðra lífvera og í mörgum umhverfisferlum sem móta heiminn. Hugtakið oxun var upphaflega notað til að lýsa efnahvörfum sem fólu í sér O₂, en merking þess hefur þróast og vísar nú til breiðs og mikilvægs flokks efnahvarfa sem kallast oxunar-afoxunarhvörf. Nokkur dæmi um slík hvörf verða notuð til að draga upp skýra mynd af þessari flokkun.

Sum oxunar- og afoxunarhvörf fela í sér flutning rafeinda milli hvarfefna til að mynda jónaefni, eins og hvarfið milli natríums og klórs sem myndar natríumklóríð:

2Na (s) + {Cl}_{2} (g) ⟶ 2 NaCl (s)

Gagnlegt er að skoða ferlið með tilliti til hvers hvarfefnis fyrir sig, það er að segja að sýna afdrif hvers hvarfefnis í formi jöfnu sem kallast hálfhvarf:

\begin{array}{l} 2 Na (s) ⟶ 2 {Na}^{+} (s) + 2 e^{-} \\ {Cl}_{2} (g) + 2 e^{-} ⟶ 2 {Cl}^{−} (s) \end{array}

Þessar jöfnur sýna að Na-frumeindir tapa rafeindum á meðan Cl-frumeindir (í Cl₂-sameindinni) bæta við sig rafeindum. Ástandsmerkið „(s)“ fyrir jónirnar sem myndast gefur til kynna að þær séu til staðar í föstu jónaefni. Fyrir oxunar- og afoxunarhvörf af þessu tagi skilgreina tap og viðtaka rafeinda þau samverkandi ferli sem eiga sér stað:

\begin{array}{l} oxun & = & tap rafeinda \\ afoxun & = & viðtaka rafeinda \end{array}

Í þessu hvarfi oxast natríum og klór afoxast. Sé litið á þetta frá virkara sjónarhorni virkar natríum sem afoxari (afoxunarefni), þar sem það gefur klóri rafeindir (eða afoxar það). Á sama hátt virkar klór sem oxari (oxunarefni), þar sem það tekur rafeindir frá (oxar) natríum.

\begin{array}{l} afoxunarefni & = & efnið sem oxast \\ oxunarefni & = & efnið sem afoxast \end{array}

Sum oxunar- og afoxunarferli fela þó ekki í sér flutning rafeinda. Lítum til dæmis á hvarf sem er svipað því sem myndar NaCl:

H_{2} (g) + {Cl}_{2} (g) ⟶ 2 HCl (g)

Myndefni þessa hvarfs er samgilt efnasamband, þannig að flutningur rafeinda í beinum skilningi á sér ekki stað. Til að skýra líkindin milli þessa hvarfs og þess fyrra, og gera kleift að skilgreina oxunar- og afoxunarhvörf á ótvíræðan hátt, hefur verið skilgreind stærð sem kallast oxunartala. Oxunartala (eða oxunarstig) frumefnis í efnasambandi er sú hleðsla sem frumeindir þess hefðu ef efnasambandið væri jónískt. Eftirfarandi viðmiðunarreglur eru notaðar til að ákvarða oxunartölu hvers frumefnis í efnasambandi.

Oxunartala frumeindar í hreinu frumefni er núll.
Oxunartala einatóma jónar er jöfn hleðslu jónarinnar.
Oxunartölur algengra málmleysingja eru venjulega ákvarðaðar sem hér segir: Vetni: +1 þegar það tengist málmleysingjum, −1 þegar það tengist málmum. Súrefni: −2 í flestum efnasamböndum, stundum −1 í peroxíðum $({O_{2}}^{2 -})$ mjög sjaldan −1/2 í ofuroxíðum (O₂⁻), og jákvæð gildi þegar það tengist flúor. Halógenar: −1 alltaf fyrir F, −1 fyrir aðra halógena nema þegar þeir tengjast súrefni eða öðrum halógenum; í þeim tilfellum eru oxunartölurnar jákvæðar og gildin breytileg.
- Vetni: +1 þegar það tengist málmleysingjum, −1 þegar það tengist málmum
- Súrefni: −2 í flestum efnasamböndum, stundum −1 í peroxíðum $({O_{2}}^{2 -})$ mjög sjaldan −1/2 í ofuroxíðum (O₂⁻), og jákvæð gildi þegar það tengist flúor
- Halógenar: alltaf −1 fyrir F, −1 fyrir aðra halógena nema þegar þeir tengjast súrefni eða öðrum halógenum; í þeim tilfellum eru oxunartölurnar jákvæðar og gildin breytileg
Summa oxunartalna allra frumeinda í sameind eða fjölatóma jón er jöfn hleðslu sameindarinnar eða jónarinnar.

Athugið: Rétt venja við ritun hleðslu er að skrifa töluna fyrst og síðan formerkið (t.d. 2+), en oxunartala er skrifuð í öfugri röð, formerki á undan tölu (t.d. +2). Þessari venju er ætlað að leggja áherslu á muninn á þessum tveimur skyldum eiginleikum.

Dæmi 4.5

Ákvörðun oxunartalna

Fylgdu leiðbeiningunum í þessum hluta textans til að ákvarða oxunartölur allra frumefna í eftirfarandi efnategundum:

(a) H₂S

(b) ${SO}_{3}^{2−}$

Lausn

(a) Samkvæmt reglu 3 er oxunartala fyrir H⁺1.

Með því að nota þessa oxunartölu og formúlu efnasambandsins má síðan nota reglu 4 til að reikna oxunartölu brennisteins:

\begin{matrix} hleðsla á H_{2} S = 0 = (2 \times +1) + (1 \times x) \\ x = 0 - (2 \times +1) = −2 \end{matrix}

(b) Regla 3 gefur til kynna að oxunartala súrefnis sé −2.

Með því að nota þessa oxunartölu og formúlu jónarinnar má síðan nota reglu 4 til að reikna oxunartölu brennisteins:

\begin{matrix} hleðsla á {SO}_{3}^{2−} = −2 = (3 \times −2) + (1 \times x) \\ x = −2 - (3 \times −2) = +4 \end{matrix}

Samkvæmt reglu 2 er oxunartala natríums +1.

Ef gert er ráð fyrir venjulegri oxunartölu súrefnis (−2 samkvæmt reglu 3) er oxunartala brennisteins reiknuð eins og mælt er fyrir um í reglu 4:

\begin{matrix} hleðsla á {SO}_{4}^{2−} = −2 = (4 \times −2) + (1 \times x) \\ x = −2 - (4 \times −2) = +6 \end{matrix}

Prófaðu þig

Ákvarðaðu oxunarástand þeirra frumefna þar sem frumeindirnar eru undirstrikaðar í hverju af eftirfarandi efnasamböndum eða jónum:

(a) KNO₃

(b) AlH₃

(d) $H_{2} \underline{P} O_{4}^{-}$

Með því að nota hugtakið oxunartölu hefur verið sett fram yfirgripsmikil skilgreining á oxunar- og afoxunarhvörfum. Oxunar- og afoxunarhvörf eru þau hvörf þar sem eitt eða fleiri frumefni taka breytingum á oxunartölu. Þótt langflest slík hvörf feli í sér breytingar á oxunartölu tveggja eða fleiri frumefna eru til nokkrar áhugaverðar undantekningar frá þessari reglu (sjá dæmi 4.6). Skilgreiningar á samverkandi ferlum þessa flokks efnahvarfa eru því endurskoðaðar, eins og hér er sýnt:

\begin{array}{l} oxun & = & hækkun oxunartölu \\ afoxun & = & lækkun oxunartölu \end{array}

Ef við snúum aftur að efnahvörfunum sem notuð voru til að kynna þetta efni, má nú bera kennsl á þau bæði sem oxunar- og afoxunarferli. Í efnahvarfinu milli natríums og klórs sem myndar natríumklóríð oxast natríum (oxunartala þess hækkar úr 0 í Na í +1 í NaCl) og klór afoxast (oxunartala þess lækkar úr 0 í Cl₂ í −1 í NaCl). Í efnahvarfinu milli vetnis og klórs sem myndar vetnisklóríð oxast vetni og klór afoxast.

Nokkrir undirflokkar oxunar- og afoxunarhvarfa eru þekktir, þar á meðal brunahvörf þar sem afoxarinn (einnig kallaður eldsneyti) og oxarinn (oft, en þó ekki endilega, súrefnissameindir) hvarfast af krafti og mynda umtalsvert magn af varma, og oft ljós, í formi loga. Hvörf í föstu eldflaugaeldsneyti, eins og það sem sýnt er á mynd 4.1, eru brunaferli. Dæmigert drifefnishvarf þar sem fast ál oxast af ammóníumperklórati er táknað með þessari jöfnu:

10 Al (s) + 6 {NH}_{4} {ClO}_{4} (s) ⟶ 4 {Al}_{2} O_{3} (s) + 2 {AlCl}_{3} (s) + 12 H_{2} O (g) + 3 N_{2} (g)

Einföld skiptihvörf eru oxunar- og afoxunarhvörf þar sem jón í lausn er hrakin úr lausn eða skipt út þegar málmfrumefni oxast. Eitt algengt dæmi um þessa tegund efnahvarfa er sýruoxun ákveðinna málma:

Zn (s) + 2 HCl (a q) ⟶ {ZnCl}_{2} (aq) + H_{2} (g)

Málmfrumefni geta einnig oxast af lausnum annarra málmsalta; til dæmis:

Cu (s) + 2 {AgNO}_{3} (aq) ⟶ Cu {({NO}_{3})}_{2} (aq) + 2 Ag (s)

Þetta efnahvarf má sjá með því að setja koparvír í lausn sem inniheldur uppleyst silfursalt. Silfurjónir í lausninni afoxast í hreint silfur á yfirborði koparvírsins, og Cu²⁺-jónirnar sem myndast leysast upp í lausninni og gefa henni einkennandi bláan lit (mynd 4.9).

Þessi mynd inniheldur þrjár ljósmyndir. Í a er vafinn koparvír sýndur við hlið tilraunaglass sem er fyllt með tærum, litlausum vökva. Í b hefur vírnum verið stungið ofan í tilraunaglasið með tæra, litlausa vökvanum. Í c inniheldur tilraunaglasið ljósbláan vökva og vafði vírinn virðist vera með loðna silfurgráa húð. — **Mynd 4.9.** (a) Koparvír er sýndur við hlið lausnar sem inniheldur silfur(I) jónir. (b) Útskipting uppleystra silfurjóna fyrir koparjónir leiðir til (c) uppsöfnunar á gráum silfurmálmi á vírnum og myndunar á bláum lit í lausninni, vegna uppleystra koparjóna. (innsending: breytt verk eftir Mark Ott)

Dæmi 4.6

Að lýsa oxunar-afoxunarhvörfum

Greindu hvaða jöfnur sýna oxunar-afoxunarhvörf og gefðu hvörfunum nafn ef við á. Fyrir þau hvörf sem eru oxunar-afoxunarhvörf skal nefna oxarann og afoxarann.

(a) ${ZnCO}_{3} (s) ⟶ ZnO (s) + {CO}_{2} (g)$

(b) $2 Ga (l) + 3 {Br}_{2} (l) ⟶ 2 {GaBr}_{3} (s)$

(d) ${BaCl}_{2} (a q) + K_{2} {SO}_{4} (a q) ⟶ {BaSO}_{4} (s) + 2 KCl (a q)$

(e) $C_{2} H_{4} (g) + 3 O_{2} (g) ⟶ 2 {CO}_{2} (g) + 2 H_{2} O (l)$

Lausn

Oxunar-afoxunarhvörf eru samkvæmt skilgreiningu þau hvörf þar sem eitt eða fleiri frumefni taka breytingum á oxunartölu.

(a) Þetta er ekki oxunar-afoxunarhvarf þar sem oxunartölur haldast óbreyttar fyrir öll frumefni.

(b) Þetta er oxunar-afoxunarhvarf. Gallín oxast og oxunartala þess hækkar úr 0 í Ga(l) í +3 í GaBr₃(s). Afoxarinn er Ga(l). Bróm afoxast og oxunartala þess lækkar úr 0 í Br₂(l) í −1 í GaBr₃(s). Oxarinn er Br₂(l).

(c) Þetta er oxunar-afoxunarhvarf. Það er sérstaklega áhugavert ferli þar sem sama frumefnið, súrefni, bæði oxast og afoxast (svokallað mishlutfallshvarf). Súrefni oxast og oxunartala þess hækkar úr −1 í H₂O₂(aq) í 0 í O₂(g). Súrefni afoxast einnig og oxunartala þess lækkar úr −1 í H₂O₂(aq) í −2 í H₂O(l). H₂O₂ er bæði oxari og afoxari.

(d) Þetta er ekki oxunar-afoxunarhvarf þar sem oxunartölur haldast óbreyttar fyrir öll frumefni.

(e) Þetta er oxunar-afoxunarhvarf (bruni). Kolefni oxast og oxunartala þess hækkar úr −2 í C₂H₄(g) í +4 í CO₂(g). Afoxarinn (eldsneytið) er C₂H₄(g). Súrefni afoxast og oxunartala þess lækkar úr 0 í O₂(g) í −2 í H₂O(l). Oxarinn er O₂(g).

Prófaðu þig

Þessi jafna lýsir framleiðslu á tin(II)klóríði:

Sn (s) + 2 HCl (g) ⟶ {SnCl}_{2} (s) + H_{2} (g)

Er þetta oxunar-afoxunarhvarf? Ef svo er, gefðu upp nákvæmara heiti á hvarfinu ef við á, og tilgreindu oxarann og afoxarann.

Að stilla oxunar-afoxunarhvörf með hálfhvarfaaðferðinni

Oxunar-afoxunarhvörf sem eiga sér stað í vatnslausnum fela oft í sér vatn, oxóníumjónir og hýdroxíðjónir sem hvarfefni eða myndefni. Þótt þessar efnategundir oxist hvorki né afoxist, taka þær þátt í efnabreytingum á annan hátt (t.d. með því að leggja til frumefnin sem þarf til að mynda oxóanjónir). Stundum er mjög erfitt að stilla jöfnur sem lýsa þessum hvörfum með ágiskun, svo kerfisbundnar aðferðir hafa verið þróaðar til að auðvelda ferlið. Ein mjög gagnleg nálgun er að nota hálfhvarfaaðferðina, sem felur í sér eftirfarandi skref:

Skrifaðu hálfhvörfin tvö sem lýsa oxunar-afoxunarferlinu.
Stilltu öll frumefni nema súrefni og vetni.
Stilltu súrefnisfrumeindir með því að bæta við H₂O-sameindum.

4. Stilltu vetnisfrumeindir með því að bæta við H⁺-jónum.

Stilltu hleðslu með því að bæta við rafeindum.
Ef nauðsyn krefur, margfaldaðu stuðla hvors hálfhvarfs fyrir sig með minnstu mögulegu heiltölum til að fá jafnmargar rafeindir í báðum.
Leggðu stilltu hálfhvörfin saman og einfaldaðu með því að fjarlægja efnategundir sem koma fyrir báðum megin við jöfnuna.
Fyrir efnahvörf sem eiga sér stað í basískum lausnum (umframmagn hýdroxíðjóna) skal framkvæma þessi viðbótarskref:
1. Bættu OH⁻-jónum við báðar hliðar jöfnunnar í sama fjölda og fjöldi H⁺-jóna.
2. Á þeirri hlið jöfnunnar sem inniheldur bæði H⁺ og OH⁻-jónir skal sameina þessar jónir til að mynda vatnssameindir.
3. Einfaldaðu jöfnuna með því að fjarlægja allar umfram vatnssameindir.
Að lokum skal athuga hvort bæði fjöldi frumeinda og heildarhleðslur 1 séu jöfn.

Dæmi 4.7

Stilling oxunar-afoxunarhvarfa í súrri lausn

Skrifaðu stillta jöfnu fyrir hvarf tvíkrómatjónar og járn(II)-jóna sem myndar járn(III)-jónir og króm(III)-jónir í súrri lausn.

{Cr}_{2} O_{7}^{2−} + {Fe}^{2+} ⟶ {Cr}^{3+} + {Fe}^{3+}

Lausn

Skref 1. Skrifaðu hálfhvörfin tvö. Hvert hálfhvarf inniheldur eitt hvarfefni og eitt myndefni sem eiga eitt frumefni sameiginlegt. ${Fe}^{2+} ⟶ {Fe}^{3+}$ ${Cr}_{2} O_{7}^{2−} ⟶ {Cr}^{3+}$
Skref 2. Stilltu öll frumefni nema súrefni og vetni. Járnhálfhvarfið er þegar stillt, en krómhálfhvarfið sýnir tvær Cr-frumeindir vinstra megin og eina Cr-frumeind hægra megin. Með því að breyta stuðlinum hægra megin í jöfnunni í 2 næst jafnvægi hvað varðar Cr-frumeindir. ${Fe}^{2+} ⟶ {Fe}^{3+}$ ${Cr}_{2} O_{7}^{2−} ⟶ 2 {Cr}^{3+}$
Skref 3. Jafnaðu súrefnisfrumeindir með því að bæta við H₂O-sameindum. Járnhálfhvarfið inniheldur engar O-frumeindir. Í krómhálfhvarfinu eru sjö O-frumeindir vinstra megin en engar hægra megin. Því er sjö vatnssameindum bætt við hægra megin. $\begin{matrix} {Fe}^{2+} ⟶ {Fe}^{3+} \\ {Cr}_{2} O_{7}^{2−} ⟶ 2 {Cr}^{3+} + 7 H_{2} O \end{matrix}$
Skref 4. Jafnaðu vetnisfrumeindir með því að bæta við H⁺-jónum. Járnhálfhvarfið inniheldur engar H-frumeindir. Í krómhálfhvarfinu eru 14 H-frumeindir hægra megin en engar vinstra megin. Því er 14 vetnisjónum bætt við vinstra megin. ${Fe}^{2+} ⟶ {Fe}^{3+}$ ${Cr}_{2} O_{7}^{2−} + 14 H^{+} ⟶ 2 {Cr}^{3+} + 7 H_{2} O$
Skref 5. Jafnaðu hleðslu með því að bæta við rafeindum. Í járnhálfhvarfinu er heildarhleðslan 2+ vinstra megin (1 Fe²⁺-jón) og 3+ hægra megin (1 Fe³⁺-jón). Með því að bæta einni rafeind hægra megin verður heildarhleðslan þeim megin (3+) + (1−) = 2+ og hleðslan er þar með jöfnuð. Í krómhálfhvarfinu er heildarhleðslan (1 × 2−) + (14 × 1+) = 12+ vinstra megin (1 ${Cr}_{2} O_{7}^{2 -}$ -jón og 14 H⁺-jónir). Heildarhleðslan hægra megin er (2 × 3+) = 6 + (2 Cr³⁺-jónir). Með því að bæta sex rafeindum vinstra megin verður heildarhleðslan þeim megin (12+ + 6−) = 6+ og hleðslan er þar með jöfnuð. ${Fe}^{2+} ⟶ {Fe}^{3+} + e^{-}$ ${Cr}_{2} O_{7}^{2−} + 14 H^{+} + 6 e^{-} ⟶ 2 {Cr}^{3+} + 7 H_{2} O$
Skref 6. Margfaldaðu hálfhvörfin tvö þannig að fjöldi rafeinda í öðru hvarfinu verði jafn fjölda rafeinda í hinu. Til að samræmast massavarðveislu og þeirri hugmynd að oxunar-afoxunarhvörf feli í sér flutning (en ekki myndun eða eyðingu) rafeinda, verður að margfalda stuðul járnhálfhvarfsins með 6. ${6Fe}^{2+} ⟶ 6 {Fe}^{3+} + 6 e^{-}$ ${Cr}_{2} O_{7}^{2−} + 6 e^{-} + 14 H^{+} ⟶ 2 {Cr}^{3+} + 7 H_{2} O$
Skref 7. Leggðu saman stilltu hálfhvörfin og styttu út þær efnategundir sem koma fyrir báðum megin í jöfnunni. Aðeins rafeindirnar sex eru umfram. Ef þær eru fjarlægðar hvoru megin úr jöfnunni fæst þessi einfaldaða og stillta jafna: $6 {Fe}^{2+} + {Cr}_{2} O_{7}^{2−} + 6 e^{-} + 14 H^{+} ⟶ 6 {Fe}^{3+} + 6 e^{-} + 2 {Cr}^{3+} + 7 H_{2} O$ $6 {Fe}^{2+} + {Cr}_{2} O_{7}^{2−} + 14 H^{+} ⟶ 6 {Fe}^{3+} + 2 {Cr}^{3+} + 7 H_{2} O$

Lokaathugun á jafnvægi frumeinda og hleðslu staðfestir að jafnan er stillt.

	Hvarfefni	Myndefni
Fe	6	6
Cr	2	2
O	7	7
H	14	14
hleðsla	24+	24+

Prófaðu þig

Í basískri lausn hvarfast sameindaklór, Cl₂, við hýdroxíðjónir, OH⁻, og myndar klóríðjónir, Cl⁻, og klóratjónir, ${Cl O_{3}}^{-} .$ Vísbending: Þetta er sundrunarhvarf þar sem frumefnið klór er bæði oxað og afoxað. Skrifaðu stillta jöfnu fyrir þetta efnahvarf.