EFNAFRÆÐI
OXUNAR- /AFOXUNARHVÖRF
Oxunar- /afoxunarhvörf eru sennilega þau hvörf sem eru hvað mest umhverfis okkur. Dæmi um oxunar- /afoxunarhvarf er t.d. ryð sem við könnumst flest við. Ryð myndast þegar járn gengur í efnasamband við súrefni. Við oxunarhvörf á sér stað flutningur á rafeindum, ekki ólíkt því sem á sér stað í sýru og basahvörfum, nema þar eru það róteindirnar sem færast á milli. Oxun á sér stað þegar atóm gefur frá sér rafeind eða rafeindir til annars atóms. Afoxun á sér hins vegin stað þegar atóm tekur upp rafeind eða rafeindir frá öðru atómi. Efnið sem oxast er kallað afoxunarmiðill eða afoxari efnisins sem er að afoxast. Og svo er efnið sem afoxast kallað oxunarmiðill eða oxari efnisins sem er að oxast. Þegar stilla á oxunar/afoxunarhvarf er höfuðatriði að það sé ávallt sami fjöldi rafeinda sem losnar eins og sá fjöldi sem er tekinn upp.
HÁLFHVÖRF OG HEILDARHVÖRF
Oxunar- /afoxunarhvörfum má ávallt skipta í tvo þætti sem kallast þá hálfhvörf hvarfsins. Hálfhvörfin eru tvö, annars vegar oxunarhálfhvarfið og hins vegar afoxunarhálfhvarfið. Dæmi um hálfhvörf eru t.d.
Zn -> Zn2+ + 2e-
Cu2+ + 2e- -> Cu
Hér sjáum við að sinkið (Zn) hefur gefið frá sér 2 rafeindir sem þýðir að sink oxast og kopar (Cu) tekur við tveimur rafeindum sem þýðir að kopar afoxast. Hálfhvörf sýna helming hvarfs þar sem rafeind ýmist fellur af eða leggst á frumefni. Þegar þessi hálfhvörf eru sett saman fáum við heildar oxunar-/afoxunarhvarf.
Zn -> Zn2+ + 2e-
Cu2+ + 2e- -> Cu
Zn + Cu2+ -> Zn2+ + Cu
Þar sem sami fjöldi rafeinda er beggja megin við ör þegar hvörfin eru lögð saman þá styttust þær út. Mikilvægt er að átta sig á því að hlutföll á milli frumefnis sem oxast og þess sem afoxast er ávallt þannig að rafeindirnar í heildarhvarfinu styttast út.
SPENNURÖÐ MÁLMA
Það sem ákveður að kopar skuli afoxast og sink skuli oxast í tilfellinu hér fyrir ofan er kallað spennuröð málma. Allir málmar í lotukerfinu raða sér í ákveðna spennuröð sem er svona:
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au, Pt
Spennuröð málmanna segir okkur til um hvaða málmar geta oxað eða afoxað aðra málma. Reglan er sú að málmur sem stendur fyrir framan annan málm getur afoxað hann. Þessi spennröð ræðst að mestu leyti af rafdrægni málmanna.
OXUNARTÖLUR
Spennuröð málma sýnir okkur bara hvaða málmar oxast og afoxast en ef einhver önnur frumefni koma við sögu eru oxunartölur mjög gagnlegar. Þegar notast er við oxunartölur er markmiðið að finna oxunartölur frumefna bæði fyrir og eftir efnahvarf og sjá svo hvort og þá hvenær þær breyttust í efnahvarfinu.
Til að finna oxunartölur þá nýtum við okkur eftirfarandi reglur:
1.Öll hrein frumefni hafa oxunartöluna 0.
2. Summa oxunartalna efnasambanda er 0.
3. Oxunartala súrefnis í efnasamböndum er oftast -II.
4. Oxunartala vetnis í efnasamböndum er oftast +I.
5. Jónir hafa oxunartölu sem er jöfn hleðslu þeirra. Ef um samsetta jón er að ræða þá er summa oxunar talna atómanna sem mynda hana jöfn hleðslu jónarinnar.
6. Alkalímálmar hafa oxuartöluna +I í efnasamböndum.
7. Jarðalkalimálmar hafa oxunartöluna +II í efnasamböndum.
(Kristján Matthíasson , 2021, rafefnafræði 1)
Þegar við höfum fundið oxunartölur fyrir öll frumefnin í efnahvarfi sjáum við strax hvort oxunartala einhvers frumefnis hafi breyst. Það er gott að muna að til þess að oxunartala eins frumefnis hafi hækkað þá þarf oxunartala annars frumefnis að hafa lækkað.
Reglan um oxunartölur er einfaldlega: „ Ef oxunartala frumefnis hækkar þá hefur það frumefni oxast og ef oxunartala hefur lækkað þá hefur það frumefni afoxast“. Þegar við notfærum okkur þetta er auðvelt að sjá hvort frumefni hafi oxast eða afoxast í efnahvarfi eins og má sjá í dæmunum hér fyrir neðan:
VIRKJUNARORKA
(SJÁLFGENG OG ÓSJÁLFGENG EFNAHVÖRF)
Efnahvörf geta annað hvort verið sjálfgeng eða ósjálfgeng. Þ.e.a.s. hvort þau gangi sjálfkrafa eða hvort utanaðkomandi krafta þarf til að drífa þau áfram. Almenna reglan er sú að útvermin hvörf eru oftast sjálfgeng en innvermin efnahvörf eru oftast ósjálfgeng. Undantekningar eru á þessu sem tengjast fyrirbærum eins og óreiðu og fríorku sem verður ekki farið út í hér.
Virkjunarorka efnahvarfs er mjög mikilvægur hluti varmafræðinnar. Virkjunarorka er t.d. ástæðan fyrir því að kol brenna ekki sjálfkrafa þegar þau komast í snertingu við súrefni. Það má líkja virkjunarorku við hól eða þröskuld sem efnahvarf þarf að komast yfir til þess að þetta tiltekna efnahvarf fari af stað.
Ef við tökum kol sem dæmi þá þarf það að fá ákveðið magn utanaðkomandi orku til þess að komst af stað, síðan getur efnahvarfið sjálft gefið orkuna sem þarf til að komast yfir virkjunarhólinn. Í þessum tilfellum er efnahvarfið sjálfgengt eftir að það er komið af stað.
Ef virkjunarþröskuldurinn er hins vegar hærri en heildaorkan sem losnar þarf að koma til ytri orka, t.d. með hitun og þá er hvarfið ósjálfgengt.
DÆMI
Dæmi 1
Hvert af eftirfarandi frumefnum oxast og afoxast í efnahvarfi
a) Li og Na
Svar: Liþíum er framar en natríum í spennuröðinni þannig að liþíum oxast en natríum afoxast.
b) Zn og Au
Svar: Sink er framar en gull í spennuröðinni þannig að sink oxast en gull afoxast.
Dæmi 2
Ákvarðaðu oxunartölur allra atómanna í eftirfarandi efnum:
a) Na+ b) N2 c) H2O d) Fe2O3 e) MnO2
a. svar: Hér gildir regla 2. Oxunartalan er því jöfn hleðslu jónarinnar +1.
b. svar: Hér gildir regla 1. Niturinn er á frumefnaformi og því er oxunartalan 0.
c. svar: Hér gilda reglur 4 og 5 sem segja að súrefnið hér hefur oxunartöluna -2 og vetnin tvö hafa oxunartöluna +1.
d. svar: Hér sjáum við að sameindin er hlutlaus og því þarf summa oxunartalnanna að vera 0. Við vitum að súrefnin tvö hafa oxunartöluna -2 þar sem járn er ekki peroxíð. 3 súrefnisatóm hafa summuna -6 og því þarf oxunartala járnatómanna að vera samtals +6. Járnatómin eru tvö sem þýðir að hvort um sig fær oxunartöluna +3.
e. svar: Hér sjáum við að sameindin er hlutlaus og því þarf summa oxunartalnanna að vera 0. Við vitum að súrefnin tvö hafa oxunartöluna -2 þar sem mangan er ekki peroxíð. Tvö súrefnisatóm hafa summuna -4 og því þarf oxunartala mangan atómsins að vera +4.
Dæmi 3
Ákvarðaðu oxunartölur allra atómanna í efnajöfnunni. Notaðu þær svo til þess að rökstyðja hvaða efni eru að oxast og hver eru að afoxast. Tilgreindu líka hvaða efni er oxari og hvaða efni er afoxari.
Fe2O3(s) + CO(g) -> 2 Fe(s) + 3 CO2(g)
Svar:
Við byrjum á að finna oxunartöluna fyrir atómin í ryðguðu járni en við vitum að súrefnisatómin 3 fá oxunartöluna -2 og járnatómin 2 fá þá oxunartöluna +3 því sameindin er hlutlaus.
Í kolmónóoxíðinu fær súrefnisatómið oxunartöluna -2 og kolefnið oxunartöluna +2 því sameindin er hlutlaus.
Fyrra myndefnið í þessu efnahvarfi er járn og fær það oxunartöluna 0 því það er á frumefnisformi.
Seinna myndefnið er koltvísýringur en þar fá súrefnisatómin tvö oxunartöluna -2 og kolefnið oxunartöluna +4 því sameindin er hlutlaus.
Út frá þessu sjáum við að járnið afoxast þar sem oxunartala þess lækkar frá +3 í 0. Kolefnið oxast þar sem það gefur rafeindirnar frá sér og oxunartalan fer úr +2 í +4. Súrefnið er svo ekki beinn þáttakandi í oxunarhvarfinu þar sem oxunartala þess breytist ekki. Járnið er oxari í efnahvarfinu og kolefnið afoxari.