תגובות חימצון חיזור לאן עוברים האלקטרונים? אילנה זהר, מה”ד ירושלים

הדגמה: צמר פלדה -Fe CuSO4(aq) 1. מכניסים צמר פלדה (מרביתו ברזל) לתמיסה מימית תכולה של נחושת גופרתית. מתרחשת תגובה. תצפית: צמר הפלדה נעלם, צבע התכלת של התמיסה נעלם, מופעים בתחתית כלי התגובה גרגרי מוצק חומים. מהי התגובה שהתרחשה? 1. Fe(s) + Cu2+(aq) -----> Fe2+(aq)+ Cu(s) יוני הנחושת שבתמיסה משכו אלקטרונים מהברזל. שקעה נחושת מוצקה ויוני הברזל התמוססו במים. מהתרחשות התגובה ניתן להסיק שיוני הנחושת נוטים לקבל אלקטרונים יותר מיוני הברזל. Cu2+(aq) > Fe2+(aq)

Cu(s) + 2Ag+ ----> Cu2+(aq) + 2Ag(s) AgNO3(aq) 2. מכניסים נחושת מתכתית לתמיסה מימית של כסף חנקתי. מתרחשת תגובה. תצפית - כמות הנחושת קטנה, הופיע צבע תכלת בתמיסה, שקעו גרגרים אפורים-שחורים. מהי התגובה שהתרחשה? Cu(s) + 2Ag+ ----> Cu2+(aq) + 2Ag(s) יוני הכסף שבתמיסה משכו ולקחו אלקטרונים משריג הנחושת. שקע כסף מוצק. יוני הנחושת שנוצרו התמוססו במים. מהתרחשות התגובה ניתן להסיק שיוני הכסף נוטים לקבל אלקטרונים יותר מיוני הנחושת. Ag+(aq)> Cu2+(aq)

Ag+(aq) > Cu2+(aq) > Fe2+(aq) Fe(s) > Cu(s) > Ag(s) השורה האלקטרוכימית משני הניסויים הנ”ל ניתן ללמוד ש- Ag+(aq) > Cu2+(aq) > Fe2+(aq) מבחינת הנטייה למשוך-לקבל אלקטרונים. או Fe(s) > Cu(s) > Ag(s) מבחינת הנטייה לוותר על אלקטרונים. באופן זה ניתן לדרג מתכות ויוני מתכות נוספים לפי נטייתם לוותר או לקבל אלקטרונים. Ag+(aq) , Cu2+(aq) , Pb2+(aq) , Ni+(aq) , Fe2+(aq) , Zn2+(aq) , Al3+(aq) , Mg2+(aq)

Cu(s) + 2Ag+ ----> Cu2+(aq) + 2Ag(s) מדוע מתרחשת התגובה? הסבר: Cu(s) + 2Ag+ ----> Cu2+(aq) + 2Ag(s) הנטייה של יוני הכסף הממוימים למשוך אלקטרונים גבוהה מהנטייה של יוני הנחושת הממוימים (לפי המיקום בשורה האלקטרו כימית) לכן כאשר יוני הכסף באים במגע עם מתכת נחושת הם מושכים ממנה אלקטרונים והתגובה הנ”ל מתרחשת. (השריג המתכתי של נחושת בנוי מיוני נחושת (2+) בענן אלקטרונים).

יוני הנחושת ויוני הכסף “מתחרים” על האלקטרונים יוני הנחושת ויוני הכסף “מתחרים” על האלקטרונים. האלקטרונים עוברים מיוני הנחושת בשריג המתכתי ליוני הכסף שבתמיסה. שוקע כסף מתכתי. האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים האלקטרונים יוני כסף יוני נחושת

2. דרג את המתכות הבאות לפי כושרן למסור אלקטרונים לפי הנתונים הבאים: תרגילים לדוגמא: 1. האם תתרחש תגובה? כאשר יכניסו תמיסת כסף חנקתי לכלי עשוי נחושת? הסבר. כאשר יכניסו תמיסת נתרן כלורי לכלי עשוי נחושת? הסבר. 2. דרג את המתכות הבאות לפי כושרן למסור אלקטרונים לפי הנתונים הבאים: ניתן לאחסן תמיסה המכילה יוני + Ni2 בכלי עשוי עופרת- Pb, אך לא בכלי עשוי אבץ - Zn. ניתן לאחסן תמיסה המכילה יוני + Fe2 בכלי עשוי ניקל- Ni, אך לא בכלי עשוי אבץ- Zn.

תגובת חימצון חיזור היא: תגובה בה יש מעבר אלקטרונים. תגובת חימצון חיזור היא: החומר שמקבל אלקטרונים בתגובה. מחמצן: החומר שמוסר - מוותר על אלקטרונים בתגובה. מחזר: ניתן לפרק תגובות חימצון חיזור לשני חצאי תגובות: א. תגובת חימצון - בה נמסרים אלקטרונים ע”י המחזר . ב. תגובת חיזור - בה מתקבלים אלקטרונים ע”י המחמצן.

דוגמא לפרוק לחצאי תגובות וחיבור חצאי תגובות התגובה: Cu(s) + 2Ag+ ----> Cu2+(aq) + 2Ag(s) היא סכום שני חצאי התגובות המאוזנות לפי מס’ אלקטרונים: מספר האלקטרונים הנמסרים תמיד שווה למספר האלקטרונים המתקבלים Cu(s) -------------> Cu2+(aq) + 2e- ת. חימצון מחזר 2Ag+(aq) + 2e- -------------> 2Ag(s) ת. חיזור מחמצן Cu(s) + 2Ag+(aq) +2e- -------------> Cu2+(aq) + 2Ag(s)+2e-

תרגילים: השלם ואזן את התגובות הבאות בעזרת פרוק לחצאי תגובות: 1. Pb(s) + Cu2+(aq) -----> 2. Mg(s) + Pb2+(aq) -----> 3. Zn(s) + Ag+(aq) ------> רשום בכל מקרה מי המחמצן ומי המחזר בתגובה וכן את תגובת החימצון ואת תגובת החיזור.

תגובות הלוגנים עם יוני הלוגנים: Cl2(g)+ 2Br-(aq) ----> 2Cl-(aq) + Br2(l) מי הם החלקיקים המתחרים על האלקטרונים בתגובה הנ”ל? בנטייה לחזר: I- > Br- > CL- > F- בנטייה לחמצן: F2 > Cl2 > Br2 > I2 הכללה: תתרחש תגובה בין הלוגן הנמצא גבוה בטור לבין יוני הלוגן שמתחתיו בטור. הסבר מדוע.

תגובות של מתכות עם חמצן: תגובות עם חמצן: תגובות של מתכות עם חמצן: Mg(s) + 0.5O2(g) ------> MgO(s) האם התגובה הנ”ל היא תגובת חימצון חיזור? התוצר- חומר יוני. (מתכת עם אל מתכת) המגיבים- יסודות נייטרלים (מבנה ענק מתכתי וחומר מולקולרי) לכן בתגובה יש מעבר אלקטרונים. המתכת מחזרת- מוסרת אלקטרונים והחמצן מחמצן - מקבל אלקטרונים. קבל 2 אלקט’ Mg(s) + 0.5O2(g) -----> Mg(2+)O(2-)(s) מסר 2 אלקט’

תגובות של אל מתכות עם חמצן: S8(s) +8O2(g) -----> 8SO2(g) לדוגמא: האם התגובה הנ”ל היא תגובת חימצון חיזור? האם יש מעבר אלקטרונים בתגובה? במבט ראשון נראה שלא נוצרו יונים מהיסודות ולכן אין מעבר אלקטרונים, אך: ניתן לראות ש- במגיבים הקשרים הקוולנטים אינם קוטביים בתוצרים הקשרים קוטביים. לכן ניתן לומר שיש מעבר “חלקי“ של אלקטרונים. לפי המודל של “דרגות חימצון” ניתן להתייחס לתגובות אלו כאל תגובות חימצון חיזור עם מעבר מלא של אלקטרונים.

דרגות חימצון: דרגת חימצון - הערך המחושב של המטען על חלקיק נתון. החישוב נעשה בהתאם לאלקטרושליליות ולכללי הקישור. ניתן ללמוד על דרגות חימצון בעבודה עצמית - לפי הספר “אתגר” עמ’ 199 - שפת הכימאי.

כללים לקביעת דרגות חמצון: כלל ראשון - דרגת החמצון של יסוד נתון היא - אפס כלל שני - דרגת החמצון של יון חד אטומי שווה למטען היון. כלל שלישי - דרגת החמצון של אטום פלואור- F בכל תרכובותיו היא (-1) כלל רביעי - דרגת החמצון של חמצן במרבית תרכובותיו היא (-2) למעט בתרכובות עם F וב- H2O2 . כלל חמישי - דרגת החמצון של מימן עם מרבית האל מתכות היא (+1). (עם מתכות הוא יון 1-). כלל שישי - סכום דרגות החמצון במולקולה שווה למטענה. הסבר את הכללים לפי כללי הקשור וערכי אלקטרושליליות.

קבע את דרגות החמצון בכל אטום בחומרים הבאים: תרגילים קבע את דרגות החמצון בכל אטום בחומרים הבאים: O2 ‘ P4 ‘ Mg FeCl2 , ClF , H2SO4 , H2CrO4 , KMnO4 ClO4- , CO32- , PO43-

S8(s) + 8O2(g) -----> 8SO2(g) הסבר איזון משוואות חימצון חיזור בעזרת דרגות חימצון: (מסר 4 אלקטרונים)8 = 32 (4+) (2-) (0) (0) S8(s) + 8O2(g) -----> 8SO2(g) מחזר מחמצן (קבל 4 אלקטרונים)8 = 32 בתגובת חימצון חיזור מספר האלקטרונים הנמסרים יהיה תמיד שווה למספר האלקטרונים המתקבלים.

תגובות עם חמצן: (לקבלת תחמוצת) בתגובת מתכת עם חמצן - יתקבל חומר יוני. ככל שהמתכת פעילה יותר התגובה מהירה ואנרגתית יותר, לפי מיקום המתכת בשורה האלקטרו כימית. בתגובת אל מתכת עם חמצן - יתקבל חומר מולקולרי. ככל שהאל מתכת פעילה יותר התגובה מהירה ואנרגתית יותר, לפי מיקום האל מתכת בשורה האלקטרו כימית.

שלבים באיזון תגובות חימצון חיזור: קבע את דרגות החמצון של האטומים בתרכובות. זהה את המחמצן והמחזר בתגובה וצייר חיצי מעבר אלקטרונים. אזן איזון ראשוני את האטומים של המחמצן והמחזר בשני צידי משוואת התגובה. רשום (על החיצים המקשרים) כמה אלקטרונים מסר המחזר וכמה אלקטרונים מסר המחמצן לפי הנוסחה. אזן את התרכובות של המחמצן והמחזר כך שמספר האלקטרונים הנמסרים יהיה שווה למספר האלקטרונים המתקבלים. אזן את יתר אטומי התרכובות בלי לשנות את איזון האלקטרונים מהשלב הקודם. כדי לבדוק את האיזון יש לוודא שסכום המטענים במגיבים ובתוצרים שווה בנוסף לשוויון במספר האטומים.

אזן את המשוואות הבאות: HBrO(aq)+Cl-(aq) ----> Cl2(g)+ Br2(l)+ H2O כדי להקל על האיזון רשמנו H+(aq במקום H3O+(aq. כנדרש . ההקלה מיועדת לתלמידים שטרם למדו חומצה בסיס. HBrO(aq)+Cl-(aq) ----> Cl2(g)+ Br2(l)+ H2O H+(aq)+ Cr2O72-(aq)+I2(s) ----> Cr3+(aq)+IO3-(aq) +H2O(l) H+(aq)+MnO4-(aq)+ Br2(l)----> MnO2(s)+BrO3-(aq ) + H2O

דרגות חימצון שונות לאותו יסוד: דרגת חימצון מרבית (חיובית)- מתקבלת ב”איבוד” כל אלקטרוני הערכיות של האטום (פרט ל- F ו- O) דרגת חימצון מזערית (שלילית)- מתקבלת בהוספת אלקטרונים לאטום עד למילוי הרמה הערכית. אטום המצוי בדרגת חימצון מרבית עשוי רק לחמצן. אטום המצוי בדרגת חימצון מזערית עשוי רק לחזר. אטום המצוי בדרגת חימצון ביניים עשוי לחמצן או לחזר (תלוי במגיב האחר שבתגובה).

דוגמאות תרכובות שונות של גופרית: H2S , S8 , SO , SO2 , SO3 H2SO4 קבע את דרגות החימצון של האטומים בתרכובות הבאות. האם הן לפי הכלל שהוגדר בשקופית הקודמת? תרכובות שונות של גופרית: H2S , S8 , SO , SO2 , SO3 H2SO4 תרכובות שונות של חנקן: NH3 ,, N2 , NO , NO2 , HNO3 , HNO2 מה יהיו טווח דרגות החמצון של ברום - Br ושל פחמן? הסבר.

אלקטרוליזה היא תהליך חימצון חיזור. היא מתרחשת רק בתוספת אנרגיה חשמלית - הזרמת אלקטרונים. התהליך אינו ספונטני. באלקטרוליזה יונים ותרכובות יוצרים יסודות במצבם היציב .

אלקטרוליזה של CuCl2 מומס במים Cu2+(aq)+2e- ---> Cu(s) Cl2(g) Cu(s) CL- Cu2+ CL קתודה אנודה e- אניונים קתיונים ספק 2CL-(aq)-----> Cl2(g)+2e-

ניסוח תהליך האלקטרוליזה בקטודה: Cu2+(aq)+2e- ---> Cu(s) 2Cl-(aq) -----> Cl2(g)+2e- באנודה: Cu2+(aq)+ 2Cl-(aq) ---> Cu(s)+ Cl2(g) ניסוח כולל: הניסוח הכולל מתקבל מחיבור תגובות האלקטרוד.

תרגול: נסח את תהליכי האלקטרוליזה הכוללים ואת תגובות האלקטרודה של הנתכים הבאים: 1. נתרן ברומי 2. אשלגן חמצני 3. סידן כלורי

חישובים סטכיומטרים בתגובות חימצון חיזור תרגיל מבגרות תשנה’ אחת השיטות לקבלת כלור מתבססת על התהליך: MnO2(s)+ 4H3O+(aq)+ 2Cl-(aq) ---> Cl2(g)+ Mn2+(aq)+ 6H2O(l) א. מי המחמצן ומי המחזר בתהליך. נמק. ביצעו ניסוי שבו הוסיפו MnO2 מוצק ל- 500 מ”ל תמיסת: HCl 2M. בתום הניסוי התקבלו 5 ליטר כלור בתנאי החדר. ב. כמה מול אלקטרונים עברו בניסוי שבוצע? ג. חשב את ריכוז כל אחד מהיונים שנמצאו בתמיסה בתום התהליך.

תרגיל מבגרות תשנ”ז חיממו אבקת נחושת חמצנית, CuO והזרימו עליה 4.5 ליטר גז אמוניה, NH3 . נפח האמוניה נמדד בתנאי S.T.P . האמוניה הגיבה בשלמות והתקבלו 0.3 מול נחושת מוצקה, Cu. התוצרים הנוספים בתגובה היו אדי מים וגז X. א. מהי נוסחת הגז X? ב. רשום ניסוח מאוזן לתהליך. ג. מהו נפח גז X שהתקבל בתנאי S.T.P?

ניסויים: לפתיחה, הדגמה - צמר פלדה בתמיסת נחושת גופרתית ונחושת בתמיסת כסף חנקתי. מתכות שונות בתמיסת יוני מתכות אחרות לקביעת השורה האלקטרו כימית. חימום אבקת נחושת בכורית לקביעת נוסחת התחמוצת המתקבלת- ניסוי בסטכיומריה. קביעת דרגות חימצון של שתי תרכובות נחושת בעזרת תגובה עם נייר אלומיניום. סטכיומטריה.