Hapetus-pelkistysreaktio
(
redox-reaktio
) on
kemiallinen reaktio
, jossa yksi tai useampi
elektroni
siirtyy kokonaan tai osittain atomilta toiselle. Tallaisessa reaktiossa toinen reaktion osapuolista, elektroneja luovuttava aine,
hapettuu
ja toinen, elektroneja vastaanottava aine,
pelkistyy
. Hapettuvaa ainetta kutsutaan
pelkistimeksi
, koska se pelkistaa toisen aineen, ja pelkistyvaa ainetta
hapettimeksi
, koska se vastaavasti hapettaa toisen aineen.
Hapetusluku
ilmaisee, kuinka monta elektronia atomi on luovuttanut tai vastaanottanut jonkin
yhdisteen
syntyessa alkuaineistaan. Jos alkuaine on talloin vastaanottanut elektroneja, hapetusluku on negatiivinen.
Hapetus eli hapettuminen on kemiallinen reaktio, jossa aineen
hapetusluku
kasvaa. Hapettuva aine luovuttaa muodollisesti
elektroneja
pelkistyvalle aineelle.
Esimerkiksi
lyijy
(II)ioni voi hapettua lyijy(IV)ioniksi: Pb
2+
→ Pb
4+
+ 2e
−
. Lyijyn hapetusluku kasvaa II:sta IV:ksi.
Hapetus tapahtuu aina samanaikaisesti jonkin toisen aineen pelkistyksen kanssa. Hapettuva aine on toisaalta
pelkistin
ja pelkistyva aine
hapetin
. Voimakkaita hapettimia ovat muun muassa
otsoni
(O
3
),
typpihappo
(HNO
3
) ja
kaliumpermanganaatti
(KMnO
4
).
Entisen, suppean maaritelman mukaan hapetus on aineen yhtymista
happeen
. Esimerkiksi
metaanin
palaessa metaanissa oleva
hiili
hapettuu (?IV → +IV) ja happi pelkistyy (0 → ?II) ja toimii siis myos nykyisen maaritelman mukaan hapettimena:
CH
4
+ 2 O
2
→ CO
2
+ 2 H
2
O. Hapen hapetusluku yleensa pienenee hapen yhdistyessa aineeseen, ja toimii nain ollen hapettimena muille paitsi
fluorille
, silla fluori on happea
elektronegatiivisempi
.
Orgaanisten yhdisteiden
hapettuminen merkitsee yleensa niissa olevan vedyn vahenemista, esimerkiksi
alkoholin
hapettuessa
aldehydiksi
, tai hapen maaran lisaantymista, esimerkiksi aldehydin hapettuessa
karboksyylihapoksi
.
Primaarinen alkoholi
voidaan hapettaa aldehydiksi, joka voidaan edelleen hapettaa karboksyylihapoksi, esimerkiksi:
- 2
CH
3
CH
2
OH
+
O
2
→ 2
CH
3
CHO
+ 2
H
2
O
- 2 CH
3
CHO + O
2
→ 2
CH
3
COOH
Sekundaariset alkoholit
hapettuvat
ketoneiksi
.
Tertiaariset alkoholit
eivat hapetu.
Hapettuminen aiheuttaa usein
korroosiota
, esimerkiksi raudan
ruostuminen
johtuu hapettumis-pelkistymisreaktiosta.
Pelkistys eli pelkistyminen on kemiallinen reaktio, jossa
hapetusluku
pienenee. Pelkistyva aine ottaa muodollisesti vastaan
elektroneja
hapettuvalta aineelta. Esimerkiksi
jodi
voi pelkistya jodidi-ioniksi: I
2
+ 2 e
−
→ 2 I
−
. Jodin hapetusluku pienenee talloin 0:sta −I:ksi. Tarkea pelkistyksen kayttotarkoitus on
metallien
erottaminen
malmien
metalli
yhdisteista
.
[1]
Metallia, joka ei ole yhdisteena, on kutsuttu
pelkaksi
.
[2]
Pelkistys tapahtuu aina samanaikaisesti jonkin toisen aineen hapetuksen kanssa. Pelkistyva aine on toisaalta
hapetin
ja hapettuva aine
pelkistin
. Voimakkaita pelkistimia ovat muun muassa
natrium
(Na),
hydratsiini
(N
2
H
4
) ja
litiumalumiinihydridi
(LiAlH
4
).
Metallurgian
teollisuuden tarkein
pelkistin
on
hiili
, joka hapettuu
hiilimonoksidiksi
ja edelleen
hiilidioksidiksi
korkeissa lampotiloissa vapauttaen metallit oksideistaan ja sulfideistaan puhtaiksi metalleiksi. Tama reaktio tapahtuu esimerkiksi
masuunissa
. Myos
vetya
ja
maakaasua
kaytetaan jonkin verran pelkistimena (suorapelkistys). Esimerkki masuunissa tapahtuvasta pelkistymisreaktiosta:
- 2 Fe
2
O
3
+ 3 C → 4 Fe + 3 CO
2
Tassa rauta pelkistyy ja hiili reagoi hapen kanssa ja hapettuu, jolloin muodostuu hiilidioksidia.
Orgaanisessa kemiassa
pelkistyksella tarkoitetaan vedyn liittamista molekyyliin (
hydraus
). Esimerkiksi
bentseeni
voidaan pelkistaa
sykloheksaaniksi
vetykaasun ja
platina
-katalyytin avulla:
- C
6
H
6
+ 3 H
2
→ C
6
H
12
Orgaanisessa kemiassa pelkistavia aineita ovat reagenssit, jotka luovuttavat vetya H
2
tai
hydridi
-ioneja (H
-
). Hydridi-ioneja luovuttavia pelkistavia reagensseja ovat
metallihydridit
, kuten litiumalumiinihydridi (LiAlH
4
) ja
natriumborohydridi
(NaBH
4
). Esimerkiksi
karboksyylihappo
voidaan pelkistaa litiumalumiinihydridilla
aldehydiksi
ja edelleen primaariseksi
alkoholiksi
natriumboorihydridilla
ja ketonit sekundaarisiksi alkoholeiksi.
Taydellisesti elektronit siirtyvat alkuaineelta toiselle
ioniyhdisteiden
reaktioissa tai niiden syntyessa alkuaineistaan. Esimerkiksi hapetus-pelkistysreaktio Cu
2+
+ Zn → Cu + Zn
2+
voidaan jakaa
puolireaktioihin
:
- Zn → Zn
2+
+ 2 e
−
(hapetus)
- Cu
2+
+ 2 e
−
→ Cu (pelkistys).
Puolireaktiot tapahtuvat yhta aikaa, joten yhteenlasketussa kokonaisreaktiossa ei nay
elektroneja
.
Myos monia
kovalenttisten
yhdisteiden reaktioita voidaan pitaa hapetus-pelkistysreaktioina. Vaikka elektronit eivat talloin taydellisesti siirrykaan atomilta toiselle, on sidokseen osallistuvista alkuaineista yleensa jompikumpi
elektronegatiivisempi
kuin toinen eli silla on suurempi kyky vetaa yhteisia elektroneja puoleensa. Taten voidaan elektronien katsoa osittain siirtyneen talle alkuaineelle.
Esimerkiksi
hiilen
palaminen
eli
hiilidioksidin
syntyminen alkuaineistaan on hapetus-pelkistysreaktio. Hiilidioksidissa hiiliatomilla on kaksi yhteista elektroniparia kummankin happiatomin kanssa, mutta koska happi on elektronegatiivisempi, voidaan naiden katsoa osittain siirtyvan hiilelta hapelle. Toisin sanoen tassa reaktiossa hiili hapettuu eli toimii pelkistimena, kun taas happi pelkistyy eli toimii hapettimena.
Hapetus-pelkistysreaktiota sovelletaan esimerkiksi
sahkoparistossa
. Paristossa tapahtuvassa hapetus-pelkistysreaktiossa siirtyy elektroneja, mika synnyttaa
sahkovirran
.
Liuoksen tai sulaneen aineen lapi johdetun sahkovirran avulla monet hapetus-pelkistysreaktiot on myos mahdollista saada tapahtumaan painvastaiseen suuntaan kuin ne muutoin tapahtuisivat. Ilmiota sanotaan
elektrolyysiksi
.
Haitallisia hapetus-pelkistysreaktioita taas tapahtuu
korroosion
yhteydessa. Tasta nakokulmasta katsoen sahkoparistoissa tapahtuu
galvaanista korroosiota
.