Hapetus-pelkistysreaktio

Hapetus-pelkistysreaktio (redox-reaktio) on kemiallinen reaktio, jossa yksi tai useampi elektroni siirtyy kokonaan tai osittain atomilta toiselle. Tällaisessa reaktiossa toinen reaktion osapuolista, elektroneja luovuttava aine, hapettuu ja toinen, elektroneja vastaanottava aine, pelkistyy. Hapettuvaa ainetta kutsutaan pelkistimeksi, koska se pelkistää toisen aineen, ja pelkistyvää ainetta hapettimeksi, koska se vastaavasti hapettaa toisen aineen.

Hapetusluku ilmaisee, kuinka monta elektronia atomi on luovuttanut tai vastaanottanut jonkin yhdisteen syntyessä alkuaineistaan. Jos alkuaine on tällöin vastaanottanut elektroneja, hapetusluku on negatiivinen.

Hapetus

Hapetus eli hapettuminen on kemiallinen reaktio, jossa aineen hapetusluku kasvaa. Hapettuva aine luovuttaa muodollisesti elektroneja pelkistyvälle aineelle.

Esimerkiksi lyijy(II)ioni voi hapettua lyijy(IV)ioniksi: Pb²⁺ → Pb⁴⁺ + 2e⁻. Lyijyn hapetusluku kasvaa II:sta IV:ksi.

Hapetus tapahtuu aina samanaikaisesti jonkin toisen aineen pelkistyksen kanssa. Hapettuva aine on toisaalta pelkistin ja pelkistyvä aine hapetin. Voimakkaita hapettimia ovat muun muassa otsoni (O₃), typpihappo (HNO₃) ja kaliumpermanganaatti (KMnO₄).

Entisen, suppean määritelmän mukaan hapetus on aineen yhtymistä happeen. Esimerkiksi metaanin palaessa metaanissa oleva hiili hapettuu (–IV → +IV) ja happi pelkistyy (0 → –II) ja toimii siis myös nykyisen määritelmän mukaan hapettimena: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. Hapen hapetusluku yleensä pienenee hapen yhdistyessä aineeseen, ja toimii näin ollen hapettimena muille paitsi fluorille, sillä fluori on happea elektronegatiivisempi.

Orgaanisten yhdisteiden hapettuminen merkitsee yleensä niissä olevan vedyn vähenemistä, esimerkiksi alkoholin hapettuessa aldehydiksi, tai hapen määrän lisääntymistä, esimerkiksi aldehydin hapettuessa karboksyylihapoksi. Primäärinen alkoholi voidaan hapettaa aldehydiksi, joka voidaan edelleen hapettaa karboksyylihapoksi, esimerkiksi:

2 CH₃CH₂OH + O₂ → 2 CH₃CHO + 2H₂O

2 CH₃CHO + O₂ → 2 CH₃COOH

Sekundääriset alkoholit hapettuvat ketoneiksi. Tertiääriset alkoholit eivät hapetu.

Hapettuminen aiheuttaa usein korroosiota, esimerkiksi raudan ruostuminen johtuu hapettumis-pelkistymisreaktiosta.

Pelkistys

Pelkistys eli pelkistyminen on kemiallinen reaktio, jossa hapetusluku pienenee. Pelkistyvä aine ottaa muodollisesti vastaan elektroneja hapettuvalta aineelta. Esimerkiksi jodi voi pelkistyä jodidi-ioniksi: I₂ + 2 e⁻ → 2 I⁻. Jodin hapetusluku pienenee tällöin 0:sta −I:ksi. Tärkeä pelkistyksen käyttötarkoitus on metallien erottaminen malmien metalliyhdisteistä. Metallia, joka ei ole yhdisteenä, on kutsuttu pelkäksi.

Pelkistys tapahtuu aina samanaikaisesti jonkin toisen aineen hapetuksen kanssa. Pelkistyvä aine on toisaalta hapetin ja hapettuva aine pelkistin. Voimakkaita pelkistimiä ovat muun muassa natrium (Na), hydratsiini (N₂H₄) ja litiumalumiinihydridi (LiAlH₄).

Metallurgian teollisuuden tärkein pelkistin on hiili, joka hapettuu hiilimonoksidiksi ja edelleen hiilidioksidiksi korkeissa lämpötiloissa vapauttaen metallit oksideistaan ja sulfideistaan puhtaiksi metalleiksi. Tämä reaktio tapahtuu esimerkiksi masuunissa. Myös vetyä ja maakaasua käytetään jonkin verran pelkistimenä (suorapelkistys). Esimerkki masuunissa tapahtuvasta pelkistymisreaktiosta:

2 Fe₂O₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO₂

Tässä rauta pelkistyy ja hiili reagoi hapen kanssa ja hapettuu, jolloin muodostuu hiilidioksidia.

Orgaanisessa kemiassa pelkistyksellä tarkoitetaan vedyn liittämistä molekyyliin (hydraus). Esimerkiksi bentseeni voidaan pelkistää sykloheksaaniksi vetykaasun ja platina-katalyytin avulla:

C₆H₆ + 3 H₂ → C₆H₁₂

Orgaanisessa kemiassa pelkistäviä aineita ovat reagenssit, jotka luovuttavat vetyä H₂ tai hydridi-ioneja (H^-). Hydridi-ioneja luovuttavia pelkistäviä reagensseja ovat metallihydridit, kuten litiumalumiinihydridi (LiAlH₄) ja natriumborohydridi (NaBH₄). Esimerkiksi karboksyylihappo voidaan pelkistää litiumalumiinihydridillä aldehydiksi ja edelleen primääriseksi alkoholiksi natriumboorihydridillä ja ketonit sekundäärisiksi alkoholeiksi.

Ioniyhdisteiden hapetus-pelkistysreaktiot

Täydellisesti elektronit siirtyvät alkuaineelta toiselle ioniyhdisteiden reaktioissa tai niiden syntyessä alkuaineistaan. Esimerkiksi hapetus-pelkistysreaktio Cu²⁺ + Zn → Cu + Zn²⁺ voidaan jakaa puolireaktioihin:

• Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ (hapetus)
• Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu (pelkistys).

Puolireaktiot tapahtuvat yhtä aikaa, joten yhteenlasketussa kokonaisreaktiossa ei näy elektroneja.

Kovalenttisten yhdisteiden reaktiot

Myös monia kovalenttisten yhdisteiden reaktioita voidaan pitää hapetus-pelkistysreaktioina. Vaikka elektronit eivät tällöin täydellisesti siirrykään atomilta toiselle, on sidokseen osallistuvista alkuaineista yleensä jompikumpi elektronegatiivisempi kuin toinen eli sillä on suurempi kyky vetää yhteisiä elektroneja puoleensa. Täten voidaan elektronien katsoa osittain siirtyneen tälle alkuaineelle.

Esimerkiksi hiilen palaminen eli hiilidioksidin syntyminen alkuaineistaan on hapetus-pelkistysreaktio. Hiilidioksidissa hiiliatomilla on kaksi yhteistä elektroniparia kummankin happiatomin kanssa, mutta koska happi on elektronegatiivisempi, voidaan näiden katsoa osittain siirtyvän hiileltä hapelle. Toisin sanoen tässä reaktiossa hiili hapettuu eli toimii pelkistimenä, kun taas happi pelkistyy eli toimii hapettimena.

Sovelluksia

Hapetus-pelkistysreaktiota sovelletaan esimerkiksi sähköparistossa. Paristossa tapahtuvassa hapetus-pelkistysreaktiossa siirtyy elektroneja, mikä synnyttää sähkövirran.

Liuoksen tai sulaneen aineen läpi johdetun sähkövirran avulla monet hapetus-pelkistysreaktiot on myös mahdollista saada tapahtumaan päinvastaiseen suuntaan kuin ne muutoin tapahtuisivat. Ilmiötä sanotaan elektrolyysiksi.

Haitallisia hapetus-pelkistysreaktioita taas tapahtuu korroosion yhteydessä. Tästä näkökulmasta katsoen sähköparistoissa tapahtuu galvaanista korroosiota.

Katso myös

• Redoxpotentiaali

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Hapetus-pelkistysreaktio Wikimedia Commonsissa