Polopřesné znázornění redoxní reakce
Redoxní reakce zahrnují všechny chemické procesy, při nichž dochází ke změně oxidačního čísla (oxidačního stavu) atomů.
Může se jednat o jednoduchý redoxní proces, jako je oxidace uhlíku za vzniku oxidu uhličitého, redukce uhlíku vodíkem za vzniku metanu (CH4) nebo oxidace cukru v lidském těle prostřednictvím řady velmi složitých procesů přenosu elektronů.
Termín redox pochází ze dvou pojmů – redukce a oxidace. Lze jej vysvětlit jednoduše:
Tyto popisy (ačkoli jsou pro mnohé účely dostačující) však nejsou skutečně správné. Oxidace a redukce se správně vztahují ke změně oxidačního čísla – ke skutečnému přenosu elektronů nemusí nikdy dojít. Oxidaci je tedy lépe definovat jako zvýšení oxidačního čísla a redukci jako snížení oxidačního čísla. V praxi přenos elektronů vždy způsobí změnu oxidačního čísla, ale existuje mnoho reakcí, které jsou klasifikovány jako „redoxní“, ačkoli k přenosu elektronů nedochází (například reakce zahrnující kovalentní vazby).
Dvě části redoxní reakce.
Táborák. Hoření se skládá z redoxních reakcí za účasti volných radikálů.
Oxidační a redukční činidla
Látky, které mají schopnost oxidovat jiné látky, se označují jako oxidační činidla, oxidanty nebo oxidanty. Jinak řečeno, oxidant odebírá jiné látce elektrony, a tím se sám redukuje. Oxidanty jsou obvykle chemické látky s prvky s vysokým oxidačním číslem (např. H2O2, MnO4-, CrO3, Cr2O72-, OsO4) nebo vysoce elektronegativní látky, které mohou oxidací látky získat jeden nebo dva elektrony navíc (O, F, Cl, Br).
Látky, které mají schopnost redukovat jiné látky, se označují jako redukční činidla, reduktanty nebo reduktory. Jinak řečeno, reduktant předává elektrony látce. Redukční činidla v chemii jsou velmi rozmanitá. Redukce kovů – lze použít elektropozitivní elementární kovy (Li, Na, Mg, Fe, Zn, Al). Tyto kovy ochotně odevzdávají nebo odevzdávají elektrony. Dalšími druhy reduktantů jsou činidla s hydridovým přenosem (NaBH4, LiAlH4), tato činidla se hojně využívají v organické chemii, především při redukci karbonylových sloučenin na alkoholy. Další užitečnou metodou jsou redukce plynným vodíkem (H2) s palladiovým, platinovým nebo niklovým katalyzátorem. Tyto katalytické redukce se používají především při redukci dvojných nebo trojných vazeb uhlík-uhlík.
Chemický pohled na redoxní procesy je takový, že reduktant předává elektrony oxidantu. V reakci tedy reduktant neboli redukční činidlo ztrácí elektrony a oxiduje se a oxidant neboli oxidační činidlo získává elektrony a redukuje se.
Příklady redoxních reakcí
Dobrým příkladem je reakce mezi vodíkem a fluorem:
Tuto celkovou reakci můžeme zapsat jako dvě poloreakce: oxidační reakci
a redukční reakce:
Analýza každé poloreakce zvlášť může často objasnit celkový chemický proces. Protože během redoxní reakce nedochází k čisté změně náboje, musí se počet elektronů přebytečných při oxidační reakci rovnat počtu elektronů spotřebovaných při redukční reakci (jak je uvedeno výše).
Prvky, a to i v molekulární formě, mají vždy oxidační číslo nula. V první poloreakci se vodík oxiduje z oxidačního čísla nula na oxidační číslo +1. Ve druhé poloreakci se fluor redukuje z oxidačního čísla nula na oxidační číslo -1.
Při sčítání reakcí se elektrony ruší:
celková rovnice pro výše uvedené:
Redoxní reakce v biologii
Potřebujete příklady neurochemie
Velká část biologické energie se ukládá a uvolňuje prostřednictvím redoxních reakcí. Fotosyntéza zahrnuje redukci oxidu uhličitého na cukry a oxidaci vody na molekulární kyslík. Při opačné reakci, respiraci, dochází k oxidaci cukrů za vzniku oxidu uhličitého a vody. Jako mezistupně se redukované sloučeniny uhlíku používají k redukci nikotinamidadenindinukleotidu (NAD+), který pak přispívá k vytvoření protonového gradientu, jenž pohání syntézu adenosintrifosfátu (ATP) a je udržován redukcí kyslíku.
V živočišných buňkách plní mitochondrie podobné funkce. Viz článek Membránový potenciál.
Termín redoxní stav se často používá k popisu rovnováhy NAD+/NADH a NADP+/NADPH v biologickém systému, jako je buňka nebo orgán. Redoxní stav se odráží v rovnováze několika souborů metabolitů (např. laktátu a pyruvátu, beta-hydroxybutyrátu a acetoacetátu), jejichž vzájemná konverze závisí na těchto poměrech. Abnormální redoxní stav se může vyvinout v různých škodlivých situacích, jako je hypoxie, šok a sepse. Redoxní signalizace zahrnuje řízení buněčných procesů pomocí redoxních procesů.
Klíčové pojmy týkající se redoxu mohou být matoucí. Například prvek, který je oxidován, ztrácí elektrony; tento prvek se však označuje jako redukční činidlo. Podobně prvek, který je redukován, získává elektrony a označuje se jako oxidační činidlo. K zapamatování toho, co se děje, se často používá několik zkratek a mnemotechnických výrazů:
Široká škála aromatických sloučenin je enzymaticky redukována za vzniku volných radikálů, které obsahují o jeden elektron více než jejich výchozí sloučeniny. Donorem elektronů je obecně některý z široké škály flavoenzymů a jejich koenzymů. Po vytvoření těchto aniontů volné radikály redukují molekulární kyslík na superoxid a regenerují nezměněnou mateřskou sloučeninu. Čistou reakcí je oxidace koenzymů flavoenzymu a redukce molekulárního kyslíku za vzniku superoxidu. Toto katalytické chování bylo popsáno jako marný cyklus nebo redoxní cyklování. Příkladem molekul indukujících redoxní cyklování je herbicid paraquat a další viologeny a chinony, jako je menadion.