Yükseltgenme-İndirgenme Tepkimeleri: Elektron Alışverişi ve Denkleştirme

Yükseltgenme ve indirgenmenin tanımı

Yükseltgenme, bir elementin elektron vermesi ve buna karşılık yükseltgenme basamağının artmasıdır. İndirgenme ise elektron alınması ve yükseltgenme basamağının azalmasıdır. Bu iki süreç birbirinden bağımsız gerçekleşemez: Bir taneciğin verdiği elektronlar başka bir tanecik tarafından alınır. Bu nedenle redoks tepkimesinde elektron veren tür yükseltgenirken elektron alan tür indirgenir.

Elektron alışverişi iyonik bileşik oluşumunda doğrudan görülebilir. Sodyum ile klorun tepkimesi şu yarı tepkimelerle gösterilebilir: Na → Na+ + e− ve Cl2 + 2e− → 2Cl−. Sodyum elektron verdiği için yükseltgenir; klor elektron aldığı için indirgenir. Elektronların eşitlenmesi için ilk yarı tepkime ikiyle çarpılır ve toplam denklem 2Na + Cl2 → 2NaCl olur.

Bununla birlikte her redoks tepkimesinde elektronların tamamen bir atomdan diğerine geçtiğini düşünmek gerekmez. Kovalent bağ içeren türlerde elektronlar ortaklaşa kullanılabilir; redoks niteliği, elektronlar iyonik davranıyormuş gibi atanan yükseltgenme basamaklarının değişmesiyle belirlenir. Örneğin H2 + Cl2 → 2HCl tepkimesinde hidrojenin basamağı 0’dan +1’e çıkar, klorunki 0’dan −1’e iner. Böylece hidrojen yükseltgenmiş, klor indirgenmiş olur.

Yükseltgen madde ve indirgen maddeyi ayırt etme

Yükseltgen madde, başka bir türün yükseltgenmesini sağlayan ve bu sırada kendisi indirgenen maddedir. Elektron alıcısı olduğu için tepkime sonunda yükseltgenme basamağı azalır. İndirgen madde ise başka bir türün indirgenmesini sağlayan ve elektron verdiği için kendisi yükseltgenen maddedir. Bu nedenle indirgen madde elektron vericisi, yükseltgen madde elektron alıcısı olarak düşünülebilir.

Madde rollerini belirlerken önce tepkimedeki elementlerin yükseltgenme basamakları karşılaştırılır. Basamağı artan tür indirgen maddedir; çünkü elektron vermiştir. Basamağı azalan tür yükseltgen maddedir; çünkü elektron almıştır. “Yükseltgen madde yükseltgenir” ifadesi yanlıştır: Yükseltgen madde karşısındaki türü yükseltgerken kendisi indirgenir.

Örneğin Ga + Br2 → GaBr3 tepkimesinde galyumun basamağı 0’dan +3’e yükselir. Galyum elektron verdiği için indirgen maddedir. Bromun basamağı 0’dan −1’e düşer; brom elektron aldığı için yükseltgen maddedir. Aynı ilişki NaCl oluşumunda da görülür: Na indirgen, Cl2 yükseltgen maddedir.

Bazı tepkimelerde aynı madde hem yükseltgen hem indirgen rolünü üstlenebilir. H2O2’nin bir bölümündeki oksijen −1’den 0’a yükselirken başka bir bölümündeki oksijen −1’den −2’ye iner. Bu tür orantısızlaşma tepkimelerinde aynı madde hem elektron verici hem elektron alıcı davranır.

Yükseltgenme basamaklarını belirleme ve değişimleri izleme

Yükseltgenme basamağı, bir bileşikteki atomun bağ elektronları tamamen iyonik kabul edilseydi sahip olacağı varsayımsal yüktür. Redoks analizinde asıl soru, tepkime öncesi ve sonrasında hangi elementin bu değerinin değiştiğidir. Elementel haldeki atomların yükseltgenme basamağı 0, tek atomlu iyonlarınki ise iyon yüküne eşittir. Bileşik veya çok atomlu iyonlarda bütün atomların yükseltgenme basamakları toplamı, türün toplam yüküne eşit olmalıdır.

Yaygın kurallar hesaplamayı kolaylaştırır: Hidrojen ametallerle yaptığı bileşiklerde genellikle +1, metallerle yaptığı bileşiklerde −1 alınır. Oksijen çoğu bileşikte −2’dir; peroksitlerde −1 olabilir. Flor her zaman −1, diğer halojenler ise oksijen veya başka halojenlerle özel durumlar dışında genellikle −1 kabul edilir. Nötr bir bileşikte toplam 0, yüklü bir iyonun içinde ise toplam iyon yükü elde edilmelidir.

Örnek olarak KMnO4 içindeki manganın basamağını bulalım. Potasyum +1, dört oksijen toplam −8 olduğundan mangan için +1 + x − 8 = 0 yazılır ve x = +7 bulunur. MnO2’de oksijenlerin toplamı −4, bileşik nötr olduğundan mangan +4’tür. Dolayısıyla permanganattaki mangan MnO2’ye dönüşürken +7’den +4’e iner ve indirgenir.

Bir başka örnekte Fe2+ → Fe3+ dönüşümünde demirin basamağı +2’den +3’e çıkar. Bu, demirin bir elektron verdiğini gösterir. Basamak değişimini elektron sayısına çevirmek, yarı tepkimelerde kaç elektron yazılacağını belirler: Fe2+ → Fe3+ + e−. Çok atomlu türlerde ise önce her element için basamaklar hesaplanır, ardından değişen elementin katsayı ve molekül içindeki atom sayısı dikkate alınır.

Redoks tepkimelerini redoks olmayan tepkimelerden ayırt etme

Bir tepkimenin redoks olarak sınıflandırılması için tepkimeye giren elementlerden en az birinin yükseltgenme basamağı değişmelidir. Elektron alışverişi veya yükseltgenme basamağı değişimi yoksa tepkime redoks değildir. Bu nedenle yalnızca iyonların yer değiştirmesi, çökelti oluşması ya da asit-baz tepkimesi gerçekleşmesi tek başına redoks kanıtı sayılmaz.

Örneğin AgNO3 + NaCl → AgCl + NaNO3 tepkimesinde gümüş +1, klor −1, sodyum +1 ve nitrat iyonundaki elementlerin basamakları tepkime öncesi ve sonrasında değişmeden kalır. AgCl çökelti oluşmasına rağmen elektron alışverişi yoktur; bu tepkime redoks değildir. Buna karşılık 2Ga + 3Br2 → 2GaBr3 denkleminde Ga 0’dan +3’e, Br 0’dan −1’e değiştiği için tepkime redokstur.

Yarı tepkime yöntemiyle redoks denklemlerini denkleştirme

Yarı tepkime yöntemi, toplam redoks tepkimesini elektron veren ve elektron alan iki ayrı denkleme ayırır. Yöntemin amacı yalnızca atom sayılarını değil, çözeltideki toplam yükü ve verilen-alınan elektron sayılarını da korumaktır. Önce yükseltgenen ve indirgenen türler belirlenir; ardından her süreç için yarı tepkime yazılır. Elektronlar yükseltgenme yarı tepkimesinde ürünler tarafına, indirgenme yarı tepkimesinde girenler tarafına eklenir.

Asidik ortamda örnek olarak permanganatın Fe2+ iyonunu yükseltmesini ele alalım. İndirgenme yarı tepkimesi önce atom ve yük açısından tamamlanır: MnO4− + 8H+ + 5e− → Mn2+ + 4H2O. Demirin yükseltgenme yarı tepkimesi ise Fe2+ → Fe3+ + e− biçimindedir. Elektron sayıları eşit olmadığı için demir yarı tepkimesi 5 ile çarpılır: 5Fe2+ → 5Fe3+ + 5e−. İki yarı tepkime toplandığında elektronlar sadeleşir ve sonuç şu olur: MnO4− + 8H+ + 5Fe2+ → Mn2+ + 4H2O + 5Fe3+.

Genel işlem sırası şöyledir: Değişen elementleri belirle, yükseltgenme ve indirgenme yarı tepkimelerini ayır, değişmeyen atomları denkleştir, oksijeni H2O ile ve hidrojeni uygun ortam türleriyle tamamla, yükü elektronlarla denkleştir, elektron sayılarını eşitle ve yarı tepkimeleri topla. Aynı tür iki tarafta bulunuyorsa son aşamada sadeleştirilir. Katsayılar en küçük tam sayılara indirgenir.

Yarı tepkime yöntemi özellikle net iyonik denklemlerde kullanışlıdır; çünkü seyirci iyonlar denkleme dahil edilmez. Örneğin Na+ gibi tepkime boyunca değişmeyen iyonlar elektron dengesine katkı sağlamaz. Yöntemin sonunda hem atomların hem de toplam yükün korunması gerekir.

Asidik ve bazik ortamda denkleştirme

Yarı tepkime yönteminde ortam, hidrojen ve oksijen atomlarının nasıl tamamlanacağını belirler. Asidik ortamda eksik oksijen atomları H2O ile, eksik hidrojen atomları H+ ile dengelenir; ardından yük farkı elektron eklenerek kapatılır. Örneğin MnO4− → Mn2+ yarı tepkimesinde dört oksijen için ürün tarafına 4H2O, hidrojenleri dengelemek için girenler tarafına 8H+ ve yükü dengelemek için girenler tarafına 5e− eklenir.

Bazik ortamda ise H+ doğrudan son denklemde bırakılmaz. Asidik yöntemle denkleştirme yapıldıktan sonra her iki tarafa eksik hidrojen sayısı kadar OH− eklenir; H+ ile OH− birleşerek H2O oluşturur ve iki taraftaki ortak su veya hidroksit türleri sadeleştirilir. Doğrudan bazik örnek: MnO4− + 2H2O + 3e− → MnO2 + 4OH− indirgenme, SO3^2− + 2OH− → SO4^2− + H2O + 2e− yükseltgenme yarı tepkimesidir. Elektronları eşitleyip topladığımızda 2MnO4− + H2O + 3SO3^2− → 2MnO2 + 2OH− + 3SO4^2− elde edilir. Bu denklemde bazik ortamın göstergesi OH− iyonudur.

Elektron ve yük korunumu ile denkleştirme sonucunu kontrol etme

Denkleştirme bitince kontrol yalnızca her elementin atom sayısını saymakla sınırlı kalmamalıdır. İlk olarak her elementin girenler ve ürünler tarafındaki toplam atom sayısı karşılaştırılır. Sulu iyonik denklemlerde ikinci kontrol, iki tarafın toplam yükünü hesaplamaktır. Toplam yükler eşit değilse elektron ekleme, ortam türü veya katsayılar yanlış kurulmuş demektir.

Üçüncü kontrol elektronların korunmasıdır. Ayrı yarı tepkimelerde verilen elektron sayısı alınan elektron sayısına eşit olmalıdır; toplam denklemde elektronlar genellikle iki tarafta da bulunduğu için sadeleşir. Örneğin asidik ortamda elde edilen MnO4− + 8H+ + 5Fe2+ → Mn2+ + 4H2O + 5Fe3+ denkleminde atomlar eşittir. Girenlerin toplam yükü −1 + 8 + 10 = +17, ürünlerin toplam yükü +2 + 15 = +17’dir. Permanganatın aldığı beş elektron, beş Fe2+ iyonunun verdiği toplam beş elektrona karşılık gelir.

Son olarak katsayıların ortak böleni varsa denklem küçültülür ve fiziksel hâl sembolleri ile ortam koşullarının denklemle uyumlu olup olmadığı gözden geçirilir. Bu kontroller, özellikle çok atomlu iyonların parçalandığı veya su, H+ ve OH− türlerinin bulunduğu denklemlerde görünmeyen hataları yakalar.

Kendiliğinden gerçekleşen redoks tepkimeleri

Kendiliğinden gerçekleşen redoks tepkimesi, verilen koşullarda dışarıdan sürekli enerji sağlanmadan ilerleyebilen redoks sürecidir. Bir tepkimenin kendiliğindenliği ile denklemin nasıl denkleştirileceği farklı sorulardır; yarı tepkime yöntemi yalnızca doğru korunumu sağlayan denklemi kurar. Kendiliğindenlik ve tepkime yönü hesaplarında standart indirgenme potansiyelleri kullanılır; bu konu ayrı olarak ele alınır.