5.2 Κυριότερα οξειδωτικά - αναγωγικά.
Αντιδράσεις οξειδοαναγωγής

Παρατηρούμε στην αντίδραση C + O₂ → CO₂, το οποίο ανάγεται, προκαλεί οξείδωση στον C και ο C, ο οποίος οξειδώνεται, προκαλεί αναγωγή στο O₂. Στο παράδειγμα αυτό το οξυγόνο χαρακτηρίζεται ως οξειδωτική ουσία, ενώ ο άνθρακας ως αναγωγική ουσία. Για να γίνει όμως οξείδωση δεν είναι οπωσδήποτε απαραίτητο το οξυγόνο, αλλά οποιοδήποτε στοιχείο ή ένωση ή ιόν, που έχει άτομο διατεθειμένο να κατέβει την κλίμακα τιμών αριθμού οξείδωσης του (βλέπε σχήμα στην επόμενη σελίδα). Γενικεύοντας μπορούμε να ορίσουμε:

• Οξειδωτικές ουσίες ή απλά οξειδωτικά ονομάζονται οι ουσίες (στοιχεία, χημικές ενώσεις ή ιόντα) που προκαλούν οξείδωση.

Τα οξειδωτικά περιέχουν άτομα που μπορούν να αναχθούν, που μπορούν δηλαδή να ελαττώσουν τον αριθμό οξείδωσης τους. Π.χ. το πυκνό διάλυμα ΗΝΟ₃ χαρακτηρίζεται ως οξειδωτικό, καθώς κατά την μετατροπή του σε ΝΟ₂, το άζωτο κατεβαίνει από +5 σε +4 την κλίμακα αριθμών οξείδωσης του.
Αυτή την αντίδραση μπορούμε να τη συμβολίσουμε είτε με ημιαντίδραση ιόντων - ηλεκτρονίων:
HNO₃ + e^- + H⁺ → NO₂ + H₂O
ή απλά: HNO₃⁵⁺ → NO₂⁴⁺ + ...
στην οποία φαίνεται η μεταβολή του αριθμού οξείδωσης του αζώτου.
Με ανάλογο τρόπο μπορούμε να ορίσουμε τα αναγωγικά:

• Αναγωγικές ουσίες ή απλά αναγωγικά ονομάζονται οι ουσίες (στοιχεία, χημικές ενώσεις ή ιόντα) που προκαλούν αναγωγή.

Τα αναγωγικά περιέχουν άτομα που μπορούν να οξειδωθούν, που μπορούν δηλαδή να αυξήσουν τον αριθμό οξείδωσης τους. Π.χ. το H₂S χαρακτηρίζεται ως αναγωγικό, καθώς κατά την μετατροπή σε S, το θείο ανεβαίνει την κλίμακα αριθμών οξείδωσης του από -2 σε 0.
Αυτή την αντίδραση μπορούμε να την περιγράψουμε με μια ημιαντίδραση ιόντων - ηλεκτρονίων:
H₂S → S + 2e^- + 2H⁺
ή απλά :
H₂S^2- → S⁰ + …
στην οποία φαίνεται η μεταβολή του αριθμού οξείδωσης του θείου.
Στους πίνακες που ακολουθούν αναφέρονται οι πιο συνηθισμένες οξειδωτικές και αναγωγικές ουσίες.

Συμπλήρωση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής

Οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, για διδακτικούς λόγους, μπορούν να ταξινομηθούν στις εξής κατηγορίες.
1. Σύνθεση. Στις αντιδράσεις αυτές δύο ή περισσότερα στοιχεία ενώνονται προς σχηματισμό μιας χημικής ένωσης π.χ. C + O₂ → CO₂.
2. Αποσύνθεση και διάσπαση. Στην αποσύνθεση μια ένωση διασπάται στα στοιχεία της π.χ. 2HgΟ → 2Hg + O₂. Στις αντιδράσεις διάσπασης παράγονται ενώσεις π.χ. 2ΚClΟ₃ → 2ΚCl + 3O₂.
3. Απλή αντικατάσταση. Στις αντιδράσεις αυτές ένα στοιχείο αντικαθίσταται από κάποιο άλλο δραστικότερο του. Η σειρά

δραστικότητας των μετάλλων και αμετάλλων προκύπτει με βάση τη σειρά ηλεκτροθετικότητας και ηλεκτραρνητικότητας, αντίστοιχα (σειρά αναγωγικής και οξειδωτικής ισχύος). Η σειρά αυτή αναφέρεται στον πίνακα 5.3 των οξειδωτικών και αναγωγικών ουσιών.
Να παρατηρήσουμε, ότι στις αντικαταστάσεις μετάλλων το μέταλλο εμφανίζεται στα προϊόντα με το μικρότερο αριθμό οξείδωση (εκτός από το Cu που δίνει Cu²⁺) π.χ. Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ .
4. Πολύπλοκες αντιδράσεις4. Πολύπλοκες αντιδράσεις. Στην κατηγορία αυτή εντάσσονται οι αντιδράσεις εκείνες που δεν μπορούν να υπαχθούν σε μια από τις προηγούμενες κατηγορίες. π.χ. 3Η₂S+ 2ΗNΟ₃ > 3S + 2NΟ + 4Η₂Ο
Χαρακτηριστικά παραδείγματα αντιδράσεων που ανήκουν στην κατηγορία αυτή είναι:
α. οξείδωση μετάλλων με οξειδωτικά οξέα
Οι αντιδράσεις αυτές έχουν τη γενική μορφή:

Όπου, Μ μέταλλο εκτός Pt και Au. Επίσης, το άλας που προκύπτει φέρει το μέταλλο συνήθως με το μεγαλύτερο αριθμό οξείδωσης του.
π.χ. 3Cu + 8ΗNΟ₃ (πυκνό) → 3Cu (ΝΟ₃)₂ + 2ΝO₂ + 4H₂O
β. οξείδωση αμετάλλων με οξειδωτικά οξέα
Από τις αντιδράσεις αυτές ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν όσες δίνονται στον πίνακα:

π.χ. Ι₂ + 10ΗNΟ₃ (πυκνό) → 2ΗΙΟ₃ + 10ΝO₂ + 4H₂O

Οι αντιδράσεις της κατηγορίας 1, 2, 3, μπορούν εύκολα να ισοσταθμιστούν. Όμως, η ισοστάθμιση (η εύρεση των συντελεστών) των «πολύπλοκων» οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων παρουσιάζει κάποια δυσκολία. Δύο μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ισοστάθμιση μιας πολύπλοκης αντίδρασης οξειδοαναγωγής:
1. Μέθοδος ημιαντιδράσεων. Αυτή στηρίζεται στις ημιαντιδράσεις ιόντων - ηλεκτρονίων της οξειδωτικής και αναγωγικής ουσίας.
2. Μέθοδος μεταβολής του αριθμού οξείδωσης. Αυτή βασίζεται στις μεταβολές του αριθμού οξείδωσης του οξειδωτικού και αναγωγικού.

Θα πρέπει να επισημάνουμε ότι για την εφαρμογή της μιας ή της άλλης μεθόδου απαιτείται η γνώση των προϊόντων αντίδρασης, τα οποία προκύπτουν με βάση τους πίνακες των οξειδωτικών και αναγωγικών ουσιών. Παρακάτω περιγράφεται η μέθοδος της μεταβολής του αριθμού οξείδωσης, η οποία σε πολλές περιπτώσεις φαίνεται απλούστερη της πρώτης. Ακολουθούν αρκετά παραδείγματα για την εμπέδωση της μεθόδου.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΜΠΛΗΡΩΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗΣ «ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΥ» ΜΟΡΦΗΣ
1. Γράφουμε τα αντιδρώντα (οξειδωτικό - αναγωγικό).
2. Γράφουμε τα προϊόντα αυτών, όπως προκύπτουν από τους πίνακες 5.3 των οξειδωτικών και αναγωγικών ουσιών.
3. Ισοσταθμίζουμε τα οξειδωτικά και αναγωγικά με τα προϊόντα αυτών. Παίρνουμε τόσα άτομα από το στοιχείο που οξειδώνεται όση είναι η μεταβολή του αριθμού οξείδωσης του στοιχείου που ανάγεται και αντίστροφα, τόσα άτομα από το στοιχείο που ανάγεται όση είναι η μεταβολή του αριθμού οξείδωσης του στοιχείου που οξειδώνεται. Κατ΄ αυτό τον τρόπο εξασφαλίζουμε:

συνολική μεταβολή Α.Ο. οξειδωτικού = συνολική μεταβολή Α.Ο. αναγωγικού

4. Αν η αντίδραση γίνεται σε όξινο περιβάλλον γράφουμε στα αντιδρώντα τον κατάλληλο αριθμό μορίων οξέος.
5. Ισοσταθμίζουμε τα άτομα υδρογόνου στα δύο μέλη της χημικής εξίσωσης, προσθέτοντας στο μέλος που χρειάζεται τον κατάλληλο αριθμό μορίων νερού.

Παραδείγματα οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων

1. Οξείδωση ΝΗ₃ από CuO

α. Βρίσκουμε από τους πίνακες οξειδωτικών και αναγωγικών τα προϊόντα, που είναι Ν₂ για την ΝΗ₃ και Cu για το CuO.
ΝΗ₃ + CuO → N₂ + Cu
β. Υπολογίζουμε τη μεταβολή του αριθμού οξείδωσης για το στοιχείο που οξειδώνεται και για το στοιχείο που ανάγεται.
N: από -3 → 0 μεταβολή 3
Cu: από +2 → 0 μεταβολή 2 (απόλυτη τιμή)
γ. Παίρνουμε τόσα άτομα Ν όση είναι η μεταβολή του αριθμού οξείδωσης του Cu και τόσα άτομα Cu όση είναι η μεταβολή του αριθμού οξείδωσης του Ν. Δηλαδή,
2ΝΗ₃ + 3CuO → N₂ + 3Cu
Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται:

2. Οξείδωση C από πυκνό διάλυμα ΗΝΟ₃

Ο C οξειδώνεται σε CO₂ και το πυκνό διάλυμα ΗΝΟ₃ ανάγεται σε ΝΟ₂.

3. Οξείδωση Ag από αραιό διάλυμα ΗΝΟ₃

Ο Αg οξειδώνεται σε AgNO₃ και το αραιό διάλυμα ΗΝΟ₃ ανάγεται σε ΝΟ.

Για να σχηματιστούν τα 3 mol AgNO₃ χρειάζονται άλλα 3 mol ΗΝΟ₃ (τα οποία δρουν ως οξύ). Δηλαδή στην προκειμένη περίπτωση το ΗΝΟ₃ έχει διπλό ρόλο, δρα ως οξειδωτικό και ως οξύ.

4. Οξείδωση CO από KMnO₄ παρουσία H₂SO₄

Το CΟ οξειδώνεται σε CO₂ και το Mn⁷⁺ ανάγεται σε Mn²⁺ δηλαδή σε Mn²⁺SO₄, ενώ το Κ⁺ δε συμμετέχει στην οξειδοαναγωγική δράση.

5. Οξείδωση FeCl₂ από K₂Cr₂O₇ παρουσία HCl

Ο FeCl₂ οξειδώνεται σε FeCl₃ και το Cr⁶⁺ του K₂Cr₂O₇ ανάγεται σε Cr³⁺, δηλαδή σε CrCl₃.

Υπολογίζουμε τη μεταβολή για το 1 άτομο Cr που είναι 3 και για το 1 άτομο Fe που είναι 1. Στη συνέχεια ο τύπος του K₂Cr₂O₇ μας αναγκάζει να πάρουμε 2 άτομα Cr και αντίστοιχα 6 άτομα Fe. Για το σχηματισμό

των χλωριούχων αλάτων χρειάζονται 26 ιόντα Cl^- . Απ΄ αυτά 12 Cl^- προέρχονται από το FeCl₂ και 14 από το HCl.

6. Οξείδωση SO₂ από πυκνό διάλυμα ΗΝΟ₃

Το SO₂ ανάλογα με το περιβάλλον μπορεί να δράσει ως αναγωγικό παρουσία οξειδωτικού και να δώσει Η₂SO₄ (SO₂ → Η₂SO₄) ή ως οξειδωτικό παρουσία αναγωγικού και να δώσει S (SO₂ → S^ο).

Στην προκειμένη περίπτωση η παρουσία του ΗΝΟ₃ (ισχυρό οξειδωτικό) προκαλεί την αναγωγική δράση του Η₂SO₄.

7. Οξείδωση H₂S από SO₂

To Η₂S δρα ως αναγωγικό και το SO₂ ως οξειδωτικό. Δηλαδή έχουμε:

8. Οξείδωση Η₂Ο₂ από KMnO₄ παρουσία Η₂SO₄

Το Η₂Ο₂ παρουσία οξειδωτικού δρα ως αναγωγικό, οπότε το οξυγόνο του οξειδώνεται Η₂Ο₂^1- → Ο₂⁰ + …

Αντίθετα, παρουσία αναγωγικού το Η₂Ο₂ δρα ως οξειδωτικό και το οξυγόνο του ανάγεται Η₂Ο₂^1- → 2 Η₂Ο^2- + … .

Στη συγκεκριμένο παράδειγμα το KMnO₄ ως οξειδωτικό προκαλεί την αναγωγική δράση του Η₂Ο₂. Δηλαδή,

Γενική παρατήρηση

Να παρατηρήσουμε, ότι με τη βοήθεια των κανονικών δυναμικών οξείδωσης - αναγωγής (Ε^ο), που θίγονται στην ύλη της Γ΄ Λυκείου, μπορεί κανείς να αναγνωρίσει σε μια οξειδοαναγωγική αντίδραση ποιο σώμα είναι οξειδωτικό και ποιο αναγωγικό. Έτσι, μπορεί να δοθεί τέλος στην ανάγκη απομνημόνευσης των οξειδωτικών και αναγωγικών ουσιών, που δίνονται στους πίνακες 5.3 και που επί του παρόντος αποτελούν τη βάση για τη συμπλήρωση των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής.