1.1 - Pengoksidaan dan Penurunan

Tindak Balas Redoks

• Tindak balas redoks ialah tindak balas kimia yang melibatkan pengoksidaan dan penurunan secara serentak.

Pengoksidaan	Penurunan
penambahan oksigen	kehilangan oksigen
kehilangan hidrogen	penambahan hidrogen
kehilangan elektron	penerimaan elektron
pertambahan nombor pengoksidaan	pengurangan nombor pengoksidaan

• Agen pengoksidaan mengoksidakan bahan lain dan mengalami penurunan.

• Agen penurunan menurunkan bahan lain dan mengalami pengoksidaan.

• Contoh: $2Mg+{\mathrm{O}}_2\to 2MgO$. Magnesium kehilangan elektron dan dioksidakan; oksigen menerima elektron dan diturunkan.

• Pemindahan oksigen: $2Mg+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\to 2MgO+\mathrm{C}$. Magnesium menerima oksigen dan menurunkan karbon dioksida; karbon dioksida kehilangan oksigen dan mengoksidakan magnesium.

• Pemindahan hidrogen: ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to \mathrm{S}+2HCl$. Hidrogen sulfida kehilangan hidrogen dan ialah agen penurunan; klorin menerima hidrogen dan ialah agen pengoksidaan.

• Dalam pembakaran magnesium, setengah persamaan ialah $\mathrm{Mg}\to \mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$ dan ${\mathrm{O}}_2+4{\mathrm{e}}^{-}\to 2{\mathrm{O}}^{2-}$.

• Contoh lain: karbon menurunkan kuprum(II) oksida; ammonia menurunkan kuprum(II) oksida dalam $2N{\mathrm{H}}_3+3CuO\to {\mathrm{N}}_2+3Cu+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Pemindahan Elektron pada Suatu Jarak

• Pengoksidaan dan penurunan boleh berlaku di kawasan berasingan apabila elektron mengalir melalui wayar penyambung.
• Bagi sistem ion ferum(II)/ion manganat(VII) berasid:
  • pengoksidaan: $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}+{\mathrm{e}}^{-}$;
  • penurunan: $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_4^{-}+8{\mathrm{H}}^{+}+5{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{M}{\mathrm{n}}^{2+}+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$;
  • keseluruhan: $5F{\mathrm{e}}^{2+}+\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_4^{-}+8{\mathrm{H}}^{+}\to 5F{\mathrm{e}}^{3+}+\mathrm{M}{\mathrm{n}}^{2+}+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.
• Elektron mengalir daripada agen penurunan di terminal negatif kepada agen pengoksidaan di terminal positif. Elektrolit melengkapkan litar melalui pergerakan ion.

Kajian Pemindahan Elektron

• Tujuan: Mengkaji pengoksidaan dan penurunan dari segi pemindahan elektron pada suatu jarak.
• Bahan: Asid sulfurik $1.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$, ferum(II) sulfat $0.2\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ yang baru disediakan, kalium manganat(VII) berasid $0.1\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ dan natrium hidroksida $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$.
• Radas: Tiub-U, kaki retort, elektrod karbon, galvanometer, wayar penyambung dengan klip buaya, penitis dan tabung uji.
• Prosedur:
  1. Isi tiub-U yang diapit menegak dengan asid sulfurik sehingga separuh penuh. Tambah lapisan ferum(II) sulfat setinggi $3\mathrm{cm}$ dalam lengan X dan kalium manganat(VII) berasid setinggi $3\mathrm{cm}$ dalam lengan Y dengan berhati-hati.
  2. Sambungkan elektrod karbon melalui galvanometer dan celupkan setiap elektrod dalam lapisan bahan tindak balas. Elektrod tidak boleh menyentuh lapisan asid sulfurik.
  3. Biarkan selama 30 minit sambil memerhatikan pesongan galvanometer dan perubahan warna larutan.
  4. Pindahkan sedikit larutan ferum(II) sulfat ke tabung uji dan tambah natrium hidroksida untuk menentusahkan hasil ferum(III).
• Keputusan: Larutan ferum(II) berubah daripada hijau kepada perang; manganat(VII) berasid berubah daripada ungu kepada tidak berwarna. Pesongan galvanometer menunjukkan aliran elektron.
• Kesimpulan: Elektron mengalir melalui wayar daripada ion ferum(II), agen penurunan, ke bahagian agen pengoksidaan; asid sulfurik ialah elektrolit pemisah.
• Untuk menggabungkan setengah persamaan, seimbangkan atom, seimbangkan cas dengan elektron, samakan bilangan elektron yang dibebaskan dan diterima, kemudian jumlahkan persamaan dan batalkan elektron.

Agen Pengoksidaan dan Agen Penurunan Lazim

• Agen pengoksidaan menerima elektron:

Agen	Setengah persamaan penurunan
Kalium manganat(VII) berasid	$\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_4^{-}+8{\mathrm{H}}^{+}+5{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{M}{\mathrm{n}}^{2+}+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
Kalium dikromat(VI) berasid	$\mathrm{C}{\mathrm{r}}_2{\mathrm{O}}_7^{2-}+14{\mathrm{H}}^{+}+6{\mathrm{e}}^{-}\to 2C{\mathrm{r}}^{3+}+7{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
Air klorin	$\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}\to 2C{\mathrm{l}}^{-}$
Air bromin	$\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}\to 2B{\mathrm{r}}^{-}$
Ferum(III) klorida	$\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$
Hidrogen peroksida berasid	${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• Agen penurunan membebaskan elektron:

Agen	Setengah persamaan pengoksidaan
Kalium iodida	$2{\mathrm{I}}^{-}\to {\mathrm{I}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}$
Kalium bromida	$2B{\mathrm{r}}^{-}\to \mathrm{B}{\mathrm{r}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}$
Ferum(II) sulfat	$\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}+{\mathrm{e}}^{-}$
Logam reaktif, seperti zink	$\mathrm{Zn}\to \mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$
Sulfur dioksida	$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}+4{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}$

Nombor Pengoksidaan

• Nombor pengoksidaan memperluas penerangan redoks kepada tindak balas yang melibatkan sebatian kovalen. Dalam $\mathrm{C}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, karbon berubah daripada $0$ kepada $+4$ dan dioksidakan; oksigen berubah daripada $0$ kepada $-2$ dan diturunkan.
• Nombor pengoksidaan atau keadaan pengoksidaan ialah cas yang diberikan kepada unsur dalam sebatian jika elektron ikatan dianggap berpindah sepenuhnya.
• Peraturan utama:
  • unsur bebas bernombor pengoksidaan $0$;
  • nombor pengoksidaan ion monoatom sama dengan casnya;
  • unsur Kumpulan 1, 2 dan 13 dalam sebatian masing-masing bernombor pengoksidaan $+1$, $+2$ dan $+3$;
  • jumlah dalam sebatian neutral ialah $0$, manakala jumlah dalam ion poliatom sama dengan cas ion;
  • fluorin sentiasa $-1$;
  • klorin, bromin dan iodin biasanya $-1$, kecuali apabila terikat kepada unsur lebih elektronegatif seperti oksigen;
  • hidrogen biasanya $+1$, tetapi $-1$ dalam hidrida logam;
  • oksigen biasanya $-2$, tetapi $-1$ dalam peroksida.
• Contoh: dalam $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_4^{-}$, $x+4(-2)=-1$, maka Mn ialah $+7$.
• Angka Roman dalam nama IUPAC menunjukkan nombor pengoksidaan logam yang mempunyai lebih daripada satu keadaan pengoksidaan, contohnya ferum(II) nitrat, $\mathrm{Fe}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_2$, dan ferum(III) nitrat, $\mathrm{Fe}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_3$.
• Contoh redoks lain ialah $\mathrm{CuO}+{\mathrm{H}}_2\to \mathrm{Cu}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ dan $\mathrm{Mg}+2HCl\to \mathrm{MgC}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2$.
• Dalam $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$, $x+3(-2)=0$, maka S ialah $+6$; dalam $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}$, $x+3(-2)=-2$, maka C ialah $+4$.
• Logam yang hanya mempunyai satu nombor pengoksidaan tidak memerlukan angka Roman: $\mathrm{Mg}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_2$ ialah magnesium nitrat.
• Nama IUPAC lain: $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_2$ = mangan(IV) oksida; $\mathrm{KMn}{\mathrm{O}}_4$ = kalium manganat(VII); $\mathrm{CrC}{\mathrm{l}}_3$ = kromium(III) klorida; ${\mathrm{K}}_2\mathrm{C}{\mathrm{r}}_2{\mathrm{O}}_7$ = kalium dikromat(VI).

Pertukaran Ion Ferum(II) dan Ion Ferum(III)

• $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$ dioksidakan oleh agen pengoksidaan: $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}+{\mathrm{e}}^{-}$.

• $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}$ diturunkan oleh agen penurunan: $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$.

• Larutan ferum(II) berwarna hijau; larutan ferum(III) berwarna perang. Pengoksidaan mengubah nombor pengoksidaan daripada $+2$ kepada $+3$; penurunan mengubahnya daripada $+3$ kepada $+2$.

• Ferum(II) glukonat, $\mathrm{Fe}({\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{11}{\mathrm{O}}_7{)}_2$, digunakan dalam pil zat besi. Ion ferum dapat ditentusahkan dengan natrium hidroksida, ammonia akueus, kalium heksasianoferat(II), kalium heksasianoferat(III) atau kalium tiosianat.

Kajian Pertukaran Ion Ferum

• Tujuan: Mengkaji pertukaran ion ferum(II) kepada ion ferum(III) dan sebaliknya.
• Bahan: Ferum(II) sulfat $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ yang baru disediakan, ferum(III) klorida $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$, air bromin, serbuk zink dan natrium hidroksida $2.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$.
• Radas: Tabung didih, tabung uji, penyepit tabung didih, penitis, spatula, corong turas, kertas turas, penunu Bunsen dan rak tabung uji.
• Prosedur:
  1. Titiskan air bromin ke dalam $2\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ ferum(II) sulfat sambil menggoncang sehingga tiada lagi perubahan warna. Panaskan perlahan-lahan dan tambah natrium hidroksida untuk menentusahkan ion ferum(III).
  2. Tambah setengah spatula serbuk zink ke dalam $2\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ ferum(III) klorida. Panaskan perlahan-lahan, turaskan dan tambah natrium hidroksida ke dalam hasil turasan untuk menentusahkan ion ferum(II).
• Kesimpulan: Air bromin mengoksidakan ion ferum(II); zink menurunkan ion ferum(III).

Penyesaran sebagai Tindak Balas Redoks

Logam

• Logam yang lebih elektropositif lebih mudah membebaskan elektron lalu menyesarkan logam kurang elektropositif daripada larutan garamnya.

• Contoh: $\mathrm{Mg}+\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}\to \mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}+\mathrm{Cu}$.

  • $\mathrm{Mg}\to \mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$: magnesium dioksidakan dan ialah agen penurunan.
  • $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Cu}$: ion kuprum(II) diturunkan dan ialah agen pengoksidaan.

• Tiada penyesaran jika logam pepejal kurang elektropositif daripada logam dalam ion garam.

• Keelektropositifan ialah kecenderungan atom membebaskan elektron dan membentuk kation. Siri elektrokimia menyusun logam daripada nilai $E^0$ paling negatif kepada paling positif.

• Dalam tindak balas zink/kuprum(II) nitrat yang ditunjukkan, warna biru larutan semakin pudar, kuprum perang terenap dan zink semakin nipis: $\mathrm{Zn}+\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}\to \mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}+\mathrm{Cu}$.

• Logam di bahagian atas siri ialah agen penurunan lebih kuat; ion logam di bahagian bawah ialah agen pengoksidaan lebih kuat.

Kajian penyesaran logam: Magnesium, plumbum dan kuprum diuji dengan larutan nitratnya; radas terdiri daripada tabung uji, rak tabung uji dan kertas pasir.

• Gunakan magnesium, plumbum dan kuprum yang dibersihkan bersama larutan nitrat masing-masing berkepekatan $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$.
• Tujuan: Mengkaji redoks dalam penyesaran logam. Bukti merangkumi mendapan, perubahan logam dan warna larutan; pemindahan elektron menerangkan pasangan yang bertindak balas.

Halogen

• Atom halogen menerima elektron membentuk ion halida, maka halogen bertindak sebagai agen pengoksidaan.
• Kekuatan pengoksidaan menurun menuruni Kumpulan 17: $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2>\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2>{\mathrm{I}}_2$.
• Halogen lebih reaktif menyesarkan ion halida bagi halogen kurang reaktif, contohnya: $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2B{\mathrm{r}}^{-}\to 2C{\mathrm{l}}^{-}+\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2$
• Lapisan pelarut organik memudahkan warna halogen dikenal pasti.

Kajian Penyesaran Halogen

• Tujuan: Mengkaji redoks dalam penyesaran halogen daripada larutan halidanya.
• Bahan: Air klorin, air bromin, larutan iodin, kalium klorida, kalium bromida dan kalium iodida $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$, serta 1,1,1-trikloroetana.
• Radas: Tabung uji, silinder penyukat dan rak tabung uji.
• Prosedur:
  1. Campurkan $2\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ setiap larutan halogen dengan $2\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ pelarut organik; goncang kuat dan biarkan selama 30 saat untuk mengenal pasti warna dalam setiap lapisan.
  2. Campurkan $2\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ larutan halida dengan $2\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ larutan halogen lain, goncang, kemudian tambah $2\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ pelarut organik, goncang dan biarkan selama 30 saat.
  3. Bandingkan lapisan akueus dan organik bagi bromin/iodin dengan klorida, klorin/iodin dengan bromida, serta klorin/bromin dengan iodida.
• Langkah berjaga-jaga: Klorin, bromin dan iodin beracun; kendalikan larutannya dengan berhati-hati.
• Kesimpulan: Kekuatan pengoksidaan berkurang menuruni Kumpulan 17; kekuatan penurunan ion halida bertambah: $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}<\mathrm{B}{\mathrm{r}}^{-}<{\mathrm{I}}^{-}$.
• Bagi klorin dan kalium bromida, larutan bromida tidak berwarna menjadi perang apabila bromin terbentuk; klorin kuning kehijauan menjadi tidak berwarna apabila klorida terbentuk.
• Setengah persamaan: $2B{\mathrm{r}}^{-}\to \mathrm{B}{\mathrm{r}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}$ dan $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}\to 2C{\mathrm{l}}^{-}$. Bromida dioksidakan dan klorin diturunkan.