חמצון חיזור

חמצון חיזור

תגובות חמצון חיזור, או בקיצור תגובות ח"ח, הן תגובות בהן חומר מסוים נותן אלקטרונים, וחומר אחר מקבל אלקטרונים.

מושגים בסיסיים

חיזור- קבלת אלקטרונים.
חמצון- מסירת אלקטרונים.

בכל תגובת חמצון חיזור, יש חומר המשמש כמחזר וחומר המשמש כמחמצן:

מחזר- נותן אלקטרונים. זהו החומר בתגובה שעובר חמצון, כלומר עובר תהליך של מסירת אלקטרונים. דרגת החמצון של המחזר עולה.
מחמצן- מקבל האלקטרונים. זהו החומר בתגובה שעובר חיזור, כלומר עובר תהליך של קבלת אלקטרונים. דרגת החמצון של המחמצן יורדת.

הערה: כשנאמר שדרגת חמצון יורדת או עולה, הכוונה היא שהיא נעשית שלילית יותר או חיובית יותר.

דרגת חמצון

דרגת חמצון היא מטען מחושב של מספר האלקטרונים שמשתתפים בתגובת חמצון חיזור.

דרגות חמצון נפוצות

יסוד: 0
יון: כמטען היון
מתכת: בד"כ דרגת חמצון חיובית פלואור: 1-
מימן: 1+ (חוץ מבהידרידים של מתכות, כמו למשל NaH. אלה הם חומרים יונים והוא משמש בהם יון שלילי)
חמצן: לרוב יהיה (2-) חוץ מבמקרים הבאים-

[math]\displaystyle{ O_{2}F_{2} }[/math] דרגת החמצון היא (1+)

[math]\displaystyle{ H_{2}O_{2} }[/math] או [math]\displaystyle{ Na_{2}O_{2} }[/math] דרגת החמצון היא (1-)

[math]\displaystyle{ KO_{2} }[/math] דרגת החמצון היא ½-

חישוב דרגת חמצון

בתרכובת, האטום שלו אלקטרושליליות גבוהה יותר, הוא בעל דרגת החמצון השלילית.
חישוב דרגות חמצון של היסודות השונים במולקולה, נעשה מתוך הנחה שמטען המולקולה שווה לדרגת החמצון.
עבור אטומים אשר דרגת החמצון הנפוצה שלהן לא ידועה, תסומן דרגת החמצון בנעלם, ולאחר מכן יימצא הנעלם במשוואה.

לדוגמה: החומר [math]\displaystyle{ C_{2}H_{4} }[/math].
דרגת החמצון הנפוצה של מימן היא 1+. נסמן את דרגת החמצון של פחמן ב-X.
מטען המולקולה הוא 0. כעת נפתור משוואה בנעלם אחד:
2x+4×1=0
2x=-4
x=-2
כלומר דרגת החמצון של הפחמן במולקולה זו היא (2-).
הערה חשובה: במשוואה יש להתייחס לכמות האטום במולקולה, ולכפול את כמותו בדרגת החמצון שלו.

תגובות חמצון-חיזור אופייניות

מתכת ואל-מתכת

המתכת תהיה המחזר. לדוגמה:
[math]\displaystyle{ 2Al_{(s)} + \frac{3}{8}S_{8(s)} \rightarrow Al_{2}S_{3(s)} }[/math]

דרגת החמצון של Al עלתה מ-0 ל-(3+), ודרגת החמצון של S ירדה מ-0 ל-(2-)

מתכת ויון-מתכת

אם המתכת היא מחזרת טובה יותר מהיון, היא תתן לו אלקטרונים (ולהיפך). הנוסחה הכללית:
[math]\displaystyle{ A_{(s)} + B_{(aq)}^{+} \rightarrow A_{(aq)}^{+} + B_{(s)} }[/math]
כמובן שיש צורך באיזון על פי גודל המטען (דרגת החמצון).
A חייב להיות מחזר טוב יותר מ-B

הלוגן ויון-הלוגן

מתרחש רק בתמיסה מימית. ככל שההלוגן עליון בטבלה, הוא מחמצן (לוקח אלקטרונים) טוב יותר. הנוסחה הכללית:
[math]\displaystyle{ A_{2} + 2B_{(aq)}^{-} \rightarrow 2A_{(aq)}^{-} + B_{2} }[/math]
A חייב להיות מעל B בטור ההלוגנים בטבלה המחזורית (כלומר להיות מחמצן טוב יותר).

איזון תגובות חמצון חיזור

• שלב א:
  

מזהים את המחזר והמחמצן ע"פ השינוי בדרגת החמצון:

[math]\displaystyle{ N_{2}H_{4(l)} +H_{2}O_{2(l)}\rightarrow N_{2(g)}+H_{2}O_{(g)} }[/math]

ע"פ חישוב דרגות החמצון כמתואר לעיל, וע"פ שינויין בתגובה, ניתן לראות כי:
[math]\displaystyle{ N_{2}H_{4} }[/math] הוא המחזר.
[math]\displaystyle{ H_{2}O_{2} }[/math] הוא המחמצן.

• שלב ב:
  

רושמים חצי תגובת חיזור וחצי תגובת חמצון, ומאזנים בכל חצי ניסוח את היסוד שעבר שינוי:

חצי תגובת חמצון: [math]\displaystyle{ N_{2}H_{4(l)}\rightarrow N_{2(g)}+4e^{-} }[/math]

חצי תגובת חיזור: [math]\displaystyle{ H_{2}O_{2(l)}+2e^{-}\rightarrow 2H_{2}O_{(g)} }[/math]

יש לשים לב שמאזנים רק את היסוד שעבר שינוי בדרגת החמצון.
בדוגמא זו, איזָנו את אטומי החמצן בחצי תגובת החיזור, למרות שזה הפר את איזון אטומי המימן.

• שלב ג:
  

מאזנים את מספר האלקטרונים ע"י מכנה משותף:

חצי תגובת חמצון: [math]\displaystyle{ N_{2}H_{4(l)}\rightarrow N_{2(g)}+4e^{-} }[/math]

חצי תגובת חיזור: [math]\displaystyle{ 2H_{2}O_{2(l)}+4e^{-}\rightarrow 4H_{2}O_{(g)} }[/math]

במקרה זה המכנה המשותף בין 2 ו-4 הוא 4, לכן הכפלנו את תגובת החיזור ב-2.

• שלב ד:
  

מחברים את שתי התגובות ומקבלים ניסוח מאוזן:

[math]\displaystyle{ N_{2}H_{4(l)} +2H_{2}O_{2(l)}\rightarrow N_{2(g)}+4H_{2}O_{(g)} }[/math]

במקרה שבתגובה המקורית נמצאים חומרים נוספים לאלה שמתקבלים בשלב ד', מעתיקים אותם אל התגובה הסופית ומאזנים איזון פשוט (איזון שמתחשב רק בכמות האטומים, ולא במספר האלקטרונים שעובר).
ע"י האיזון ניתן לקבוע את מספר האלקטרונים שעברו בתגובה- זהו המכנה המשותף בסעיף ג'.