Redoks Tepkimeleri: Yükseltgenme, İndirgenme ve Denkleştirme

Redoks tepkimesinin tanımı ve elektron alışverişi

Redoks tepkimesi, tepkimeye giren türlerden en az birinin yükseltgenme basamağının değiştiği tepkimedir. Bu değişim çoğu zaman elektronların bir türden diğerine aktarılmasıyla açıklanır. Elektron veren türün elektron sayısı azalır ve bu tür yükseltgenir; elektron alan türün elektron sayısı artar ve bu tür indirgenir. Bu iki süreç aynı anda gerçekleşir çünkü verilen elektronlar başka bir tür tarafından alınmalıdır.

Örneğin sodyum ile klorun tepkimesinde sodyum elektron verir, klor ise elektron alır. Yarı tepkimeler şöyle gösterilebilir: Na → Na+ + e− ve Cl2 + 2e− → 2Cl−. İlk yarı tepkime elektron kaybını, ikincisi elektron kazanımını gösterir. Sonuçta oluşan iyonik bileşik NaCl’dir; sodyum yükseltgenmiş, klor indirgenmiştir.

Bazı tepkimelerde elektronlar açıkça bir atomdan diğerine aktarılmış gibi gösterilmeyebilir. Kovalent bağlarda elektronlar ortaklaşa kullanılabilir. Böyle durumlarda redoks kararını vermek için elementlerin yükseltgenme basamaklarındaki değişim incelenir. Redoks tepkimeleri elektrokimyasal sistemlerde elektrik enerjisiyle ilişkilidir; elektrokimyasal hücreler ve elektrot potansiyelleri ayrı bir konudur.

Yükseltgenme ve indirgenme kavramları

Yükseltgenme, bir elementin elektron kaybetmesi ve yükseltgenme basamağının artmasıdır. İndirgenme ise elektron kazanılması ve yükseltgenme basamağının azalmasıdır. Bu nedenle akılda tutulması gereken temel ilişki şudur: elektron kaybı yükseltgenme, elektron kazanımı indirgenmedir.

Örneğin Zn → Zn2+ + 2e− yarı tepkimesinde çinko iki elektron verdiği için yükseltgenir. Cu2+ + 2e− → Cu yarı tepkimesinde bakır iyonu iki elektron aldığı için indirgenir. Bu iki yarı tepkime birleştirildiğinde Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu tepkimesi elde edilir. Çinkonun yükseltgenmesi ile bakır iyonunun indirgenmesi aynı toplam tepkimenin birbirini tamamlayan iki parçasıdır.

Yükseltgenme ve indirgenme yalnızca oksijenle gerçekleşen olaylar değildir. Kavramın temel ölçütü elektron alışverişi veya buna karşılık gelen yükseltgenme basamağı değişimidir. Bu yüzden oksijen içermeyen bir tepkime de redoks olabilir.

Yükseltgenme basamaklarıyla redoksu belirleme

Yükseltgenme basamağı, bir bileşik iyonik kabul edilseydi ilgili atomun sahip olacağı varsayılan yüktür. Bu değer, elektronların hangi yönde değiştiğini izlemek için kullanılır. Elementel hâlde bulunan bir atomun yükseltgenme basamağı 0, tek atomlu iyonun yükseltgenme basamağı ise iyon yüküne eşittir. Yaygın bileşiklerde hidrojen çoğunlukla +1, oksijen çoğunlukla −2 değerindedir. Bir molekül veya çok atomlu iyon içindeki yükseltgenme basamaklarının toplamı, türün toplam yüküne eşit olmalıdır.

Bir tepkimenin redoks olup olmadığını belirlemek için önce tepkimeye giren ve oluşan maddelerde değişmesi muhtemel elementlerin yükseltgenme basamakları yazılır. Bir elementin değeri tepkime sonunda artıyorsa o element yükseltgenmiştir; değer azalıyorsa indirgenmiştir. En az bir türün yükseltgenme basamağı artarken en az bir türün yükseltgenme basamağı azalmalıdır; bu türler aynı elementin farklı atomları da olabilir.

Örneğin Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu tepkimesinde elementel çinko 0’dan +2’ye çıkar. Çinko yükseltgenmiştir. Cu2+ içindeki bakır +2’den elementel bakırdaki 0’a iner ve bakır indirgenmiştir. Değişimler zıt yönlü olduğu için tepkime redokstur.

Yükseltgenme basamakları değişmiyorsa tepkime redoks değildir. Örneğin HCl + NaOH → NaCl + H2O tepkimesinde hidrojen, klor, sodyum ve oksijenin yükseltgenme basamakları tepkime öncesi ve sonrasında değişmez. Bu nedenle elektron alışverişine dayalı bir redoks sınıfına girmez.

Yükseltgen ve indirgen maddelerin ayırt edilmesi

Elektron veren madde indirgeyici madde, yani indirgendir; çünkü karşısındaki türün indirgenmesini sağlar ve kendisi yükseltgenir. Elektron alan madde yükseltgen madde, yani oksitleyicidir; çünkü karşısındaki türün yükseltgenmesini sağlar ve kendisi indirgenir. Adlandırma, maddenin kendi geçirdiği değişime göre değil, diğer madde üzerindeki etkisine göre de düşünülmelidir.

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu tepkimesinde Zn elektron verdiği için kendisi yükseltgenir. Aynı zamanda Cu2+ iyonuna elektron sağlayarak onun indirgenmesini sağladığından indirgen maddedir. Cu2+ elektron aldığı için kendisi indirgenir; çinkonun yükseltgenmesine neden olduğundan yükseltgen maddedir. Kısaca elektron veren madde hem yükseltgenir hem indirgendir; elektron alan madde hem indirgenir hem yükseltgendir.

Redoks denklemlerini elektron dengesiyle denkleştirme

Bir redoks denklemi denkleştirilirken atom sayılarının yanı sıra elektronların toplamı da korunmalıdır. Bunun temel yolu, yükseltgenen ve indirgenen türleri yarı tepkimeler hâlinde yazmaktır. Önce elektron veren ve alan türler belirlenir, ardından her yarı tepkimedeki elektron sayıları eşitlenir. Yarı tepkimeler toplandığında elektronlar iki tarafta birbirini götürür; son aşamada atom ve toplam yük dengesi kontrol edilir.

Basit örnek olarak Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu tepkimesini ele alalım. Yükseltgenme yarı tepkimesi Zn → Zn2+ + 2e−, indirgenme yarı tepkimesi ise Cu2+ + 2e− → Cu şeklindedir. Her iki yarı tepkimede de iki elektron bulunduğu için katsayı çarpanı gerekmez. Toplandığında elektronlar sadeleşir ve Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu denklemi elde edilir. Çinko ve bakır atomlarının sayısı ile toplam yük her iki tarafta da dengelidir.

Daha karmaşık sulu çözelti tepkimelerinde yarı tepkime yöntemi sistematik biçimde uygulanır: önce oksijen ve hidrojen dışındaki elementler, sonra oksijen su ile, hidrojen H+ ile ve yük elektronlarla dengelenir. Elektron sayıları eşitlenip yarı tepkimeler toplandıktan sonra ortak türler sadeleştirilir. Bu ayrıntılı ortam denkleştirmesi başka bir konunun kapsamındadır.