Dæmi um spurningar og umræður um redox-viðbrögð
Inngangur að redox-viðbrögðum
Afoxunar-afoxunarviðbrögð (REDOX) eru efnahvörf þar sem rafeindir flytjast á milli tveggja efnategunda. Þessi viðbrögð fela í sér breytingu á oxunartölu atóma innan sameinda, jóns eða efnasambands. Hugtakið „redox“ er dregið af tveimur hugtökum: afoxun og oxun. Afoxun er ferlið þar sem oxunartala efnis lækkar með því að taka til sín rafeindir. Aftur á móti er oxun ferlið þar sem oxunartala efnis eykst með því að missa rafeindir.
Dæmispurning 1: Að bera kennsl á redox-viðbrögð
Spurning 1: Ákvarðið oxunartölu hvers frumefnis í eftirfarandi efnahvarfi og greinið hvaða frumefni er oxað og hvaða frumefni er afoxað.
[ \text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu} \]
Umræða:
1. Ákvarðið oxunartöluna:
– Zn (sink) í formi málms (Zn) hefur oxunartölu 0.
– Cu²⁺ (koparjón) hefur oxunartölu +2.
– Zn²⁺ (sinkjón) hefur oxunartölu +2.
– Kopar (Cu) í formi málms hefur oxunartöluna 0.
2. Greinið breytingar á oxunartölum:
– Zn breytist úr 0 í +2, sem þýðir að oxunartala Zn eykst, þannig að Zn oxast einnig.
– Cu²⁺ breytist úr +2 í 0, sem þýðir að oxunartala Cu²⁺ lækkar, þannig að Cu²⁺ afoxast.
Þannig er viðbrögðin hér að ofan oxunarafoxunarviðbrögð þar sem Zn oxast og Cu²⁺ afoxast.
Dæmispurning 2: Jafnvægi á redox-viðbrögðum
Spurning 2: Jafnvægið eftirfarandi oxunar-afoxunarviðbrögð með því að nota hálfviðbragðsaðferðina.
[ \text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} \]
Umræða:
1. Skiptu viðbrögðunum í tvær hálfviðbrögð:
– Oxun:
[ \text{Fe}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{3+} \]
– Minnkun:
\[ \text{MnO}_4^- \rightarrow \text{Mn}^{2+} \]
2. Jafnvægið hverja hálfviðbrögð fyrir önnur atóm en súrefni og vetni:
– Oxun (Fe):
[ \text{Fe}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{3+} \]
– Afoxun (Mn):
\[ \text{MnO}_4^- \rightarrow \text{Mn}^{2+} \]
3. Jafnvægi súrefnisatómanna með því að bæta við H₂O:
– Minnkun:
\[ \text{MnO}_4^- \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 4 \text{H}_2\text{O} \]
4. Jafnvægi vetnisatómanna með því að bæta við H⁺:
– Minnkun:
\[ \text{MnO}_4^- + 8 \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 4 \text{H}_2\text{O} \]
5. Jafnvægið hleðsluna með því að bæta við rafeindum:
– Oxun (Fe):
[ \text{Fe}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{3+} + \text{e}^- \]
– Afoxun (Mn):
\[ \text{MnO}_4^- + 8 \text{H}^+ + 5 \text{e}^- \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 4 \text{H}_2\text{O} \]
6. Jafnaðu fjölda rafeinda í báðum hálfviðbrögðum með því að margfalda hálfviðbrögðin þannig að fjöldi rafeinda sem tapast og fengist sé sá sami:
– Oxun (5 sinnum):
[5 Fe^2+ 5 Fe^3+ + 5 e^-]
– Minnkun:
\[ \text{MnO}_4^- + 8 \text{H}^+ + 5 \text{e}^- \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 4 \text{H}_2\text{O} \]
7. Leggðu saman tvö hálfviðbrögð:
[5 Fe^2+ + MnO_4- + 8 H^+ 5 Fe^3+ + Mn^2+ + 4 H^2O]
8. Athugaðu jafnvægi atóma og hleðslna:
– Fe atómar: 5 vinstra megin og 5 hægra megin, jöfn.
– Mn atóm: 1 báðum megin, jafnt.
– O atómar: 4 á báðum hliðum, jafnmargar.
– H atóm: 8 öðru megin, 8 hinu megin, jöfn.
– Hleðsla: 5(+2) + (-1) + 8(+1) = 10 + 8 – 1 = 17 vinstra megin og 5(+3) + 2 = 15 + 2 = 17 hægra megin, jafngildi.
Jafngild viðbrögð:
[5 Fe^2+ + MnO_4- + 8 H^+ 5 Fe^3+ + Mn^2+ + 4 H^2O]
Dæmispurning 3: Redox viðbrögð í daglegu lífi
Spurning 3: Útskýrðu hvernig oxunar-afoxunarviðbrögð gegna hlutverki í efnaskiptaferlum manna.
Umræða:
Redox-viðbrögð gegna lykilhlutverki í efnaskiptum manna, sérstaklega frumuöndun. Frumuöndun er ferlið þar sem frumur í líkama okkar framleiða orku í formi ATP (adenósíntrífosfat) með því að brjóta niður glúkósa og aðrar lífrænar sameindir. Þetta ferli samanstendur af röð skrefa sem fela í sér redox-viðbrögð.
1. Glýkólýsa:
Í þessu upphafsstigi er glúkósi brotinn niður í tvær pýrúvatsameindir. Í þessu ferli er NAD⁺ (nikótínamíð adenín dínúkleótíð) afoxað í NADH með því að taka við rafeindum sem losna úr glúkósa.
2. Krebs hringrás (sítrónusýruhringrás):
Í þessum hringrás er pýrúvat breytt í asetýl-CoA, sem síðan fer inn í Krebs-hringrásina. Í gegnum hringrásina eru meira af NAD⁺ og FAD (flavín adenín dínúkleótíð) afoxað í NADH og FADH₂ með oxunar-afoxunarviðbrögðum, en um leið myndast ATP-sameindir.
3. Rafeindaflutningur:
NADH og FADH₂ sem myndast eru síðan notuð í rafeindaflutningskeðjunni innan hvatberanna. Rafeindirnar sem NADH og FADH₂ bera eru fluttar í gegnum röð rafeindaviðtakapróteina. Að lokum eru þessar rafeindir notaðar til að afoxa súrefni í vatn. Þetta ferli býr til róteindahalla sem ATP syntasi notar til að framleiða ATP.
Í gegnum þessa röð efnahvarfa er orkan sem geymd er í efnatengjum fæðusameinda breytt í orkuform sem frumur líkamans geta nýtt. Hvert stig krefst oxunar-afoxunarviðbragða til að halda orkuferlinu áfram.
Niðurstaða
Redox-viðbrögð gegna lykilhlutverki bæði í fræðilegu samhengi og í hagnýtum tilgangi í daglegu lífi. Með því að skilja hugtakið redox-viðbrögð og hvernig á að jafna þau getum við séð notkun þeirra í ýmsum náttúrufyrirbærum og tækni, allt frá efnaskiptaviðbrögðum í líkama okkar til efnaiðnaðar. Vonandi munu dæmin og umræðurnar hér að ofan hjálpa okkur að skilja og beita hugtakinu redox-viðbrögðum í ýmsum efnafræðigreinum.
