Reducció (captació d'electrons) de la molècula deFAD.
Unareacció d'oxidació-reducció,reacciód'oxidoreducció, o simplementreacció redox, és aquellareacció química en la qual hi ha unatransferència electrònica entre els reactius, donant lloc a un canvi en els seusestats d'oxidació pel que fa als productes.[1] Pot tractar-se d'un simple procés redox, tal com són l'oxidació delcarboni adiòxid de carboni, i la reducció del carboni per l'hidrogen ametà (CH₄), o bé un procés complex com és l'oxidació del sucre en el cos humà, a través d'una sèrie de processos detransferència d'electrons.
Perquè es produeixi una reacció redox, en el sistema ha d'haver-hi un element que cedeixielectrons i un altre que els accepti. L'agentreductor és l'element químic que subministra electrons de la seva estructura química al medi augmentant el seuestat d'oxidació, és a dir, essent oxidat. L'agentoxidant és l'element químic que tendeix a captar aquests electrons, quedant amb unestat d'oxidació inferior al que tenia, és a dir, essent reduït.
Quan un element químic reductor cedeix electrons al medi es converteix en un element oxidat, i la relació que guarda amb el seu precursor queda establerta mitjançant el que es diu un «parell redox». Anàlogament, es diu que quan un element químic capta electrons del medi es converteix en un element reduït, i igualment forma un parell redox amb el seu precursor oxidat.
Dins d'una reacció global redox, es dona una sèrie de reaccions particulars a les quals s'anomena semireaccions o reaccions parcials.
2 Na+ + 2 Cl− → 2 Na + Cl₂
o més comunament:
2 NaCl → 2 Na + Cl₂
La tendència a reduir o oxidar a altres elements químics es quantifica pelpotencial de reducció, també anomenat potencial redox.
Una titulació redox és una en la qual un indicador químic indica el canvi en el percentatge de la reacció redox mitjançant el viratge de color entre l'oxidant i el reductor.
En realitat una oxidació o una reducció és un procés pel qual canvia l'estat d'oxidació d'un compost. Aquest canvi no significa necessàriament un intercanvi d'electrons. Suposar això —que és un error comú— implicaria que tots els compostos formats mitjançant un procés redox sóniònics, ja que és en aquests compostos on sí que es dona un enllaç iònic, producte de la transferència d'electrons. Per exemple, en la reacció de formació del clorur d'hidrogen a partir dels gasos d'hidrògen i diclorur, es dona un procés redox i no obstant això es forma un compost covalent.
Aquestes dues reaccions sempre es donen juntes, és a dir, quan una substància s'oxida, sempre és per l'acció d'una altra que es redueix. Una cedeixelectrons i l'altra els accepta. Per aquesta raó, es prefereix el terme general de reaccionsredox.
La mateixavida és un fenomen redox. L'oxigen és el millor oxidant que existeix a causa que la molècula és poc reactiva (pel seu doble enllaç) i no obstant això és moltelectronegatiu, gairebé com elfluor.
La substància més oxidant que existeix és elcatió KrF+ perquè fàcilment forma Kr i F+.
El nom d'"oxidació" prové del fet que en la majoria d'aquestes reaccions, la transferència d'electrons es dona mitjançant l'adquisició d'àtoms d'oxigen (cessió d'electrons) o viceversa. No obstant això, l'oxidació i la reducció pot donar-se sense que hi hagi intercanvi d'oxigen pel medi, per exemple, l'oxidació deiodur de sodi aiode mitjançant la reducció declor aclorur de sodi:
2 NaI + Cl₂ → I₂ + 2 NaCl
Aquesta pot desglossar-se en les seves dues semireaccions corresponents:
Enquímica orgànica, la disminució d'enllaços d'àtoms d'oxigen a àtoms decarboni o l'augment d'enllaços d'hidrogen a àtoms de carboni s'interpreta com una reducció. Per exemple:
CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (l'etí es redueix per donaretè).
CH₃–CHO + H₂ → CH₃–CH₂OH (l'etanal es redueix aetanol).
Laquantificació d'un element químic pot efectuar-se mitjançant el seunombre d'oxidació. Durant el procés, el nombre d'oxidació de l'element augmenta. En canvi, durant la reducció, el nombre d'oxidació de l'espècie que es redueix disminueix. El nombre d'oxidació és un nombre enter que representa el nombre d'electrons que un àtom posa en joc quan forma un enllaç determinat.
El nombre d'oxidació augmenta si l'àtom perdelectrons (l'element químic que s'oxida), o els comparteix amb un àtom que tingui tendència a captar-los. En canvi, disminueix quan l'àtom guanya electrons (l'element químic que es redueix), o els comparteix amb un àtom que tingui tendència a cedir-los.
El nombre d'oxidació de tots els elements sense combinar és zero. Independentment de la forma en què es representin.
El nombre d'oxidació de les espècies iòniques monoatòmiques coincideix amb la càrrega de l'ió.
El nombre d'oxidació de l'hidrogen combinat és +1, excepte en elshidrurs metàl·lics, on el seu nombre d'oxidació és –1 (ej: AlH₃, LiH)
El nombre d'oxidació de l'oxigen combinat és –2, excepte en elsperòxids, on el seu nombre d'oxidació és –1 (ex.:Na₂O₂, H₂O₂).
El nombre d'oxidació en els elements metàl·lics, quan estan combinats és sempre positiu i numèricament igual a la càrrega de l'ió.
El nombre d'oxidació delshalogens en els hidràcids i les seves respectives sals és –1, en canvi el nombre d'oxidació delsofre en el seu hidràcid i respectives sals és –2.
El nombre d'oxidació d'una molècula és zero o, cosa que és el mateix, la suma dels nombres d'oxidació dels àtoms d'una molècula neutra és zero.
Tot procés redox requereix l'ajust estequiomètric dels components de les semireaccions per a l'oxidació i reducció.
Per a reaccions en el medi aquós, generalment s'afegeixen al medi àcid ions hidrogen (H+), molècules d'aigua (H₂O), i electrons. En el medi bàsic s'afegeixen hidroxils (OH−), molècules d'aigua (H₂O), i electrons per compensar els canvis en els nombres d'oxidació.
Al medi àcid s'agreguen ions hidrogen (cations) (H+) i aigua (H₂O) a les semirreaccions per equilibrar l'equació final.
Del costat de l'equació que faci mancada[Cal aclariment] oxigen s'agregaran molècules d'aigua, i del costat de l'equació que facin mancada hidrògens s'agregaran oxonis.
Per exemple, quan el manganès (II) reacciona amb el bismutat de sodi.
Equació sense equilibrar:
Oxidació :
Reducció :
Ara s'han d'afegir els oxonis i les molècules d'aigua on faci mancada[Cal aclariment] hidrògens i on faci mancada[Cal aclariment] oxígens, respectivament.
Oxidació:
Reducció:
Les reaccions s'equilibraran en el moment d'igualar la quantitat d'electrons que intervenen en ambdues semireaccions. Això s'aconseguirà multiplicant la reacció d'una semireacció pel nombre d'electrons de l'altra semireacció (i, si cal, viceversa), de manera que la quantitat d'electrons sigui constant.
Oxidació:
Reducció:
Al final hi haurà:
Oxidació:
Reducció:
Ells electrons estan equilibrats, i es poden sumar les dues semireaccions, per obtenir finalment l'equació equilibrada.
A laindústria, els processos redox són molt importants, tant pel seu ús productiu (per exemple la reducció de minerals per a l'obtenció de l'alumini o delferro) com per la seva prevenció (per exemple en la corrosió).[2][3]
Lareacció inversa de la reacció redox (que produeixenergia) és l'electròlisi, en la qual s'aporta energia per dissociar elements de les seues molècules.[4]
Reducció delcoenzimFAD, en forma de guany d'un parell d'àtoms d'hidrogen (dos protons i dos electrons.
En elmetabolisme de tots els éssers vius, els processos redox tenen una importància cabdal, ja que intervenen en la cadena de reaccions químiques de lafotosíntesi i de larespiració aeròbica. En ambdues reaccions existeix unacadena transportadora d'electrons formada per una sèrie de complexosenzimàtics, entre els quals destaquen elscitocroms; aquests complexos enzimàtics accepten (es redueixen) i cedeixen (s'oxiden) parells d'electrons d'una manera seqüencial, de tal manera que el primer cedeix electrons al segon, aquest al tercer, etc., fins a un acceptor final que es redueix definitivament; durant el seu viatge, els electrons van alliberant energia que s'aprofita per sintetitzar enllaços d'alta energia en forma deATP.
Un altre tipus de reacció redox fonamental en els processos metabòlics són lesdeshidrogenacions, en les quals un enzim (ladeshidrogenasa) arrenca un parell d'àtoms d'hidrogen a unsubstrat; atès que l'àtom d'hidrogen consta d'unprotó i un electró, aquest substrat s'oxida (ja que perd electrons). Aquests electrons són captats per molècules especialitzades, principalment les coenzimsNAD+,NADP+ iFAD que en guanyar electrons es redueixen, i els condueixen a les cadenes transportadores d'electrons.
El metabolisme implica centenars de reaccions redox. Així, elcatabolisme el constitueixen reaccions en què els substrats s'oxiden i els coenzims es redueixen. Per contra, en les reaccions de l'anabolisme els substrats es redueixen i els coenzims s'oxiden. En el seu conjunt, catabolisme i anabolisme constitueixen elmetabolisme.
En els metalls, una conseqüència molt important de l'oxidació és lacorrosió, fenomen d'impacte econòmic molt negatiu, atès que els materials adquireixen o modifiquen les seves propietats segons als agents que estiguin exposats, i com actuïn sobre ells. Combinant les reaccions d'oxidació-reducció (redox) en unacel·la galvànica s'aconsegueixen lespiles electroquímiques. Aquestes reaccions poden aprofitar-se per evitar fenòmens decorrosió no desitjats mitjançant la tècnica delànode de sacrifici i per a l'obtenció de corrent elèctric continu.
