Basiskennis chemie 6/Elektronenoverdracht

Elktronen in de chemie

Sinds de ontdekking van het elektron in 1897 door J.J. Thomson hebben elektronen een steeds grotere rol gespeeld in de verklaring van chemische eigenschappen van stoffen. Op basis van het door Bohr later ontwikkelde schillenmodel kunnen we nu de opbouw van het periodiek systeem verklaren, evenals bijvoorbeeld de reactie van de halogenen met de alkalimetalen. Je hebt daarmee al eerder kennisgemaakt. Het vermogen van de verschillende elementen om elektronen aan zich te binden is toen vooral in termen van meer en minder beschreven. In de volgender paragrafen zal daar een meer getalsmatige invulling aan gegeven worden.

Elektronen

Een "los" elektron

In de experimenten waarmee Thomson het bestaan van elektronen aantoonde maakte hij gebruik van losse elektronen. Dat was mogelijk in een vrijwel vacuüm gezogen buis. Chemie wordt echter niet in het vacuüm uitgevoerd. In de chemische praktijk komen elektronen dan ook niet los voor.

Een elektron is altijd gebonden aan een atoom of ion.

Tijdens een reactie waarbij een elektron van het ene atoom of ion naar een ander verhuist vindt directe overdracht plaats.

Losse elektronen

Reductie

Een van de eerste processen waarin mensen te maken kregen met elektronenoverdracht tussen atomen was de winning van metalen uit hun erts. Dat is een ambacht dat al zo'n 3000 tot 4000 jaar oud is, en toen werd uiteraard niet over elektronen gesproken. Wel was iets anders duidelijk: Het maken van metalen uit de ertsen leverde een forse gewichtsvermindering op. Je kunt dit ook aan de reactievergelijkingen zien. Kopererts is bijvoorbeeld vaak koper(II)sulfide. De reactie van erts tot koper komt per saldo neer op:

{\ce {CuS\ +\ O2\ ->\ Cu\ +\ SO2}}

{\ce {^}}

De zuurstof die uit de lucht werd opgenomen en de zwaveldioxide die in de lucht "verdween" werden niet opgemerkt, maar 1 kilo kopererts werd wel maar 665 gram koper. Voor ijzererts, ${\ce {Fe2O3}}$ geldt iets dergelijks:

{\ce {2 Fe2O3 \ + \ 3 C \ -> \ 4 Fe \ + \ 3 CO2}}

{\ce {^}}

en 1 kg ijzererts was maar goed voor 350 gram ijzer.
In beide gevallen werd de massa behoorlijk verminderd, of met een Latijns woord: gereduceerd. Het proces werd aangeduid met de term reductie.
Voor de moderne chemicus gebeurt er niets anders dan dat de elektronen die koper of ijzer hebben afgestaan tijdens de vorming van het erts weer door de metalen worden opgenomen. De term reductie is echter van het verminderen van het gewicht overgegaan op het proces van elektronen opnemen.

Hoogoven in het woud (Jan Brueghel de Oude, ca. 1602). Dit schilderij toont een hoogoven gestookt op houtskool, zoals deze toen functioneerden in de Ardennen.

Schema van een moderne hoogoven.
Voor de betekenis van de cijfers: zie hier.

Reductie

Oxidatie

Zoals hierboven al is aangegeven kan een elektron niet "los" voorkomen. De elektronen die gebruikt worden tijdens de reductie moeten "ergens" vandaan komen. Er zijn deeltjes die elektronen afstaan. Net als reductie is ook het proces waarbij elektronen worden afgestaan al heel lang bekend, al werd het uiteraard niet als zodanig beschreven. Het bekendste verschijnsel waarbij elektronen worden afgestaan is roesten: ijzer staat elektronen af aan zuurstof:

{\ce {4 Fe^{0}\ + \ 3 O2^{0}\ -> \ 2 Fe2^{3+}O3^{2-}}}

Het proces waarin ijzer met zuurstof reageert wordt (naar de internationale naam van zuurstof, oxygenium) oxidatie genoemd. De naam oxidatie is wel met zuurstof verbonden, maar het begrip staat tegenwoordig voor elk proces waarbij een deeltje elektronen afstaat. Ook als zuurstof niet aan de reactie deelneemt wordt er van oxidaie gesproken als een deeltje elektronen afstaat:

{\ce {Fe\ +\ S\ ->\ FeS}}

{\ce {2Na\ +\ Cl2\ ->\ 2NaCl}}

In bovenstaande voorbeelden wordt ijzer door zwavel geoxideerd en natrium door chloor. In het voorbeeld van de hoogoven wordt koolstof door ijzer geoxideerd.

Oxidatie

Redoxreactie

Omdat elektronen niet los voorkomen zal afstaan van elektronen en het opnemen ervan altijd samen optreden en wordt een reactie waarin dit gebeurt een redox-reactie genoemd.

Samenvatting van de begrippen rond redox-reacties

Reductor	Oxidator
wordt geoxideerd	wordt gereduceerd
staat elektronen af	neemt elektronen op

Redox