Οξειδοαναγωγή

Ο όρος οξειδοαναγωγή περιγράφει όλες τις χημικές αντιδράσεις κατά τις οποίες τα άτομα των στοιχείων που συμμετέχουν αλλάζουν αριθμό οξείδωσης. Η διαδικασία της οξειδοαναγωγής μπορεί να γίνεται σχετικά απλά και γρήγορα, όπως η οξείδωση του άνθρακα από το οξυγόνο προς διοξείδιο του άνθρακα, ή μπορεί να είναι μια πολύπλοκη διαδικασία, όπως η οξείδωση της γλυκόζης στους οργανισμούς, η οποία επιτυγχάνεται μέσω πολύπλοκων διεργασιών μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Οι απόψεις το 17ο αιώνα

Η εξερεύνηση της φύσης του φαινομένου της οξείδωσης ξεκίνησε γύρω στο 1718, όταν ο Γερμανός χημικός Σταλ (Georg Ernst Stahl) διατύπωσε την άποψη ότι ο σχηματισμός των μετάλλων από τα οξείδιά τους, κατά τη θέρμανσή τους με άνθρακα, οφείλεται στην απορρόφηση μιας ουσίας την οποία ονόμασε "φλογιστόν". Αντίθετα, η θέρμανση των μετάλλων στον αέρα που οδηγεί στο σχηματισμό οξειδίων συνοδεύεται από ελευθέρωση του φλογιστού. Το φλογιστόν, ανάλογα με το χημικό φαινόμενο, μπορούσε να έχει ή να μην έχει βάρος ή ακόμα να έχει "αρνητικό βάρος". Η θεωρία του φλογιστού απέκτησε πολλούς και φανατικούς οπαδούς. Το 1772, ο θεμελιωτής της σύγχρονης χημείας Λαβουαζιέ (Antoine Lavoisier) υποστήριξε ότι η αύξηση του βάρους των μετάλλων κατά τη θέρμανσή τους, οφείλεται στην πρόσληψη οξυγόνου από την ατμόσφαιρα και όχι φλογιστού. Ο σχηματισμός των μετάλλων από τα οξείδιά τους αντιστοιχεί σε απώλεια οξυγόνου. Οι απόψεις του Lavoisier δεν έγιναν δεκτές αρχικά από τους περισσότερους Γάλλους επιστήμονες της εποχής γιατί αυτοί ήταν φανατικοί υποστηρικτές της θεωρίας του φλογιστού.

Οι απόψεις το 19ο αιώνα

Σε όλη τη διάρκεια του 19ου αιώνα, ως οξείδωση θεωρούνταν η πρόσληψη οξυγόνου από μια ουσία. Έτσι, η ένωση ενός στοιχείου με το οξυγόνο χαρακτηρίζονταν ως οξείδωση π.χ. Mg + 1/2O₂ → MgO ή C + O₂ → CO₂. Στις αντιδράσεις αυτές το οξυγόνο χαρακτηρίστηκε ως οξειδωτικό μέσο επειδή ενώνονταν με το μαγνήσιο (Mg) και τον άνθρακα (C).
Αναγωγή ήταν η αφαίρεση οξυγόνου. Έτσι στην αντίδραση Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O, αφαιρείται οξυγόνο από το οξείδιο του σιδήρου (ΙΙΙ) (Fe₂O₃). Το υδρογόνο (Η₂) των αντιδρώντων χαρακτηρίστηκε ως αναγωγικό μέσο.

Δηλαδή, παλιότερα η οξείδωση και η αναγωγή ήταν αντιδράσεις που συνδέονταν με την εκ των υστέρων ή εκ των προτέρων εμφάνιση οξυγόνου στο μόριο μιας χημικής ένωσης. Λίγο αργότερα, ο όρος οξείδωση χρησιμοποιήθηκε και για την αφαίρεση υδρογόνου (αφυδρογόνωση) από μία ένωση π.χ. CH₃OH → HCHO + H₂. Αντίστοιχα η πρόσληψη υδρογόνου (υδρογόνωση) από μία ουσία χαρακτηρίστηκε ως αναγωγή π.χ. H₂ + Cl₂ → 2HCl.

Η οξειδοαναγωγή σήμερα

Για να συμπεριληφθούν όλα τα παρόμοια φαινόμενα (και στις ετεροπολικές και στις ομοιοπολικές ενώσεις), δημιουργήθηκε η ανάγκη να οριστούν τα φαινόμενα οξείδωσης κι αναγωγής πάνω σε νέα βάση.

Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις

Oι αντιδράσεις στις οποίες παρατηρείται το φαινόμενο της οξειδοαναγωγής ονομάζονται οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις και ταξινομούνται σε διάφορες κατηγορίες όπως αντιδράσεις σύνθεσης, αντιδράσεις αποσύνθεσης, αντιδράσεις απλής αντικατάστασης κ.λ.π. Για το σημαντικό ρόλο των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων στη ζωή μας αρκεί να αναφέρουμε ότι οι βασικές βιολογικές αντιδράσεις καθώς και οι αντιδράσεις καύσης που αποτελούν την κύρια πηγή ενέργειας, είναι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Αλλά εκτός απ' αυτές, πολυάριθμες αντιδράσεις οξειδοαναγωγής έχουν μεγάλη σημασία στην τεχνολογία για την παραγωγή χρήσιμων προϊόντων, ενώ άλλες έχουν ιδιαίτερη περιβαλλοντική σημασία.

Η σημασία της οξειδοαναγωγής στη ζωή και στην τεχνολογία

Ο ρόλος των οξειδοαναγωγικών φαινομένων στη ζωή είναι θεμελιώδης. Όλες οι βασικές βιολογικές αντιδράσεις (συμπεριλαμβανομένων των καύσεων) που γίνονται μέσα στους ζωντανούς οργανισμούς είναι οξειδοαναγωγικές. Τα οξειδοαναγωγικά φαινόμενα εμφανίζονται πολύ συχνά και στη βιομηχανία. Οι μεταλλουργικές κατεργασίες αποτελούν εφαρμογές αυτών των φαινομένων. Αλλά και στην αναλυτική χημεία έχουν μεγάλη εφαρμογή όπως σε διαλυτοποίηση, διαχωρισμό, καταβύθιση, καθώς και σε ογκομετρικούς προσδιορισμούς. Παρακάτω αναφέρονται ορισμένοι μόνο τομείς στους οποίους είναι φανερή η χρησιμότητα των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων:

Ο μεταβολισμός στους ζωικούς οργανισμούς

Ο μεταβολισμός είναι μία σύνθετη λειτουργία κάθε ζωντανού οργανισμού με την οποία αυτός ανταλλάσσει ύλη και ενέργεια με το περιβάλλον του. Περιλαμβάνει αντιδράσεις "καταβολικές" κατά τις οποίες γίνεται διάσπαση ουσιών και ελευθέρωση ενέργειας και αντιδράσεις "αναβολικές" κατά τις οποίες γίνεται σύνθεση ενώσεων από άλλες με κατανάλωση ενέργειας. Η απαραίτητη ενέργεια προέρχεται από την αναπνοή των κυττάρων και στη συνέχεια με την καύση, παρουσία βιολογικών καταλυτών (ένζυμα), ουσιών όπως η γλυκόζη (C₆H₁₂O₆): C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + Ενέργεια. Σ'αυτή την αντίδραση, η γλυκόζη οξειδώνεται προς CO₂ και το Ο₂ ανάγεται προς νερό.

Διάβρωση των μετάλλων

Πολλά μέταλλα οξειδώνονται από το Ο₂ της ατμόσφαιρας και γι' αυτό τα υποβάλλουμε σε κατεργασίες με σκοπό να καλυφθούν εξωτερικά με προστατευτικά μεταλλικά ή οργανικά επιστρώματα. Για παράδειγμα ο άργυρος όταν παραμείνει για πολύ στον αέρα καλύπτεται από στρώμα μελανού Ag₂S που σχηματίζεται από την επίδραση του υδρόθειου της ατμόσφαιρας σύμφωνα με την οξειδοαναγωγική αντίδραση : 2Ag + 1/2 O₂ + H₂S → Ag₂S + H₂O.
Τα μέταλλα των αλκαλίων και των αλκαλικών γαιών οξειδώνονται γρήγορα όταν εκτεθούν στην ατμόσφαιρα : Ca + 1/2O₂ → CaO.
Η γνωστότερη περίπτωση διάβρωσης είναι αυτή του σιδήρου (καστανέρυθρη σκουριά) η οποία είναι εντονότερη όταν ο αέρας έχει υγρασία. Η σκουριά έχει μεταβλητή σύσταση και αποδίδεται με τύπο της μορφής Fe₂O₃.xH₂O. Η σχετική οξειδοναγωγική αντίδραση αποδίδεται ως : 4Fe + 3O₂ + xH₂O → 2Fe₂O₃.xH₂O.

Λεύκανση των υφασμάτων

Τα λευκαντικά είναι χημικές ενώσεις που χρησιμοποιούνται στην κλωστοϋφαντουργία για τον αποχρωματισμό ρούχων. Παλιότερα η λεύκανση επιτυγχάνονταν με έκθεση στον ήλιο και τον αέρα. Σήμερα όμως οι περισσότεροι λευκαντικοί παράγοντες του εμπορίου είναι ουσίες, όπως το υποχλωριώδες νάτριο (NaOCl) ή το υπεροξείδιο του υδρογόνου, οι οποίες επιτυγχάνουν αποχρωματισμό μέσω οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων.
Το υποχλωριώδες ανιόν που υπάρχει σε πολλά εμπορικά προϊόντα, ανάγεται προς ιόντα χλωρίου αποσπώντας ηλεκτρόνια από το έγχρωμο υλικό ενώ ταυτόχρονα τα ιόντα υδροξυλίου δημιουργούν βασικό διάλυμα, αποχρωματίζοντας έτσι το ρούχο : OCl⁻ + 2e + H₂O → Cl⁻ + 2OH⁻.