Redüksiyon Nedir? Elektron Kazanımını Adım Adım Anlama

Elektron kazanımı ile indirgenmeyi aynı anda nasıl tanırız?

Redüksiyon, bir atomun, iyonun veya molekülün elektron kazanmasıdır. Elektron kazanıldığında türün yükü daha negatif hâle gelebilir ya da pozitifliği azalabilir. Örneğin bakır(II) iyonu iki elektron alırsa şu yarı tepkime gerçekleşir:

$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$

Burada $Cu^{2+}$, iki elektron aldığı için indirgenir ve yükseltgenme basamağı $+2$'den $0$'a düşer. Benzer biçimde demir(III) iyonunun bir elektron alması da indirgenmedir:

$Fe^{3+} + e^- \rightarrow Fe^{2+}$

Bu örnekte yükün $+3$'ten $+2$'ye azalması, elektron kazanımını gösterir. Karar kuralı şudur: Elektron alan tür indirgenir; elektron kaybeden tür yükseltgenir. Bu iki olay aynı elektron alışverişinin karşılıklı parçalarıdır.

Redüksiyon sözcüğünü yalnızca serbest iyonlara uygulamak doğru değildir. Bir bileşiğin içindeki belirli elementin yükseltgenme basamağı azalabilir. Örneğin $Fe_2O_3$ içindeki demir atomlarının yükseltgenme basamağı azalırken bileşiğin bütünü demire dönüşebilir. Bu yüzden tepkimeyi değerlendirirken yalnızca maddelerin formüllerine değil, ilgili elementin tepkime öncesi ve sonrası durumuna bakılır.

Yükseltgenme basamağı değişimi elektron alışverişini nasıl gösterir?

Yükseltgenme basamağı, bir bileşikte elektronların tamamen iyonik biçimde dağıldığı varsayımıyla bir atoma verilen biçimsel yükseltgenme değeridir. Bu değer gerçek iyon yüküyle her durumda aynı değildir; özellikle moleküler bileşiklerde elektron hesabını izlemek için kullanılan bir araçtır. Redüksiyonu belirlerken önemli olan, değerin tepkime boyunca hangi yönde değiştiğidir.

Bir elementin yükseltgenme basamağı azalırsa o element indirgenmiştir. Örneğin $Fe^{3+}$ türünün $Fe^{2+}$ hâline geçmesi, değerin bir birim azalmasıdır ve bir elektron kazanımına karşılık gelir. Değer artarsa elektron kaybı, yani yükseltgenme söz konusudur. Bir elementin yükseltgenme basamağı değişmiyorsa o element, incelenen redoks alışverişinin elektron alan veya veren tarafı değildir.

Bileşiklerde bu hesabı yaparken bileşiğin toplam yükseltgenme basamakları toplamı, yüksüz bileşiklerde $0$'a; iyonlarda ise iyonun toplam yüküne eşit alınır. Örneğin oksijenin çoğu oksitteki değeri $-2$ kabul edilirse $Fe_2O_3$ için:

$2x + 3(-2) = 0$

Buradan demirin ortalama yükseltgenme basamağı $x=+3$ bulunur. Ürün saf demir olduğundan demirin basamağı $0$'dır. Dolayısıyla demir açısından değişim $+3 \rightarrow 0$ şeklindedir; demir indirgenmiştir. Bu yorum, yalnızca tepkimede gerçekten aynı elementin başlangıç ve ürün hâlleri karşılaştırıldığında yapılmalıdır.

Çözümlü örnek: İyon yükünden indirgenmeyi belirleme

Aşağıdaki iki yarı tepkimede hangi türün indirgenmiş olduğunu adım adım belirleyelim.

Örnek 1 — Verilenler: $Fe^{3+} + e^- \rightarrow Fe^{2+}$

Çözüm adımları:

1. Tepkime öncesindeki türün yükünü yazın: demir iyonu $+3$ yüklüdür.
2. Tepkime sonrasındaki yükü karşılaştırın: ürün $+2$ yüklüdür.
3. Yük $+3$'ten $+2$'ye azalırken bir elektron alınmıştır.
4. Elektron alan tür $Fe^{3+}$ olduğundan indirgenen tür odur.
5. Elektronu veren başka bir tür varsa o tür aynı tepkimede yükseltgenmiştir; yalnızca bu yarı tepkimeye bakarak elektron vereni belirleyemeyiz.

Sonuç: $Fe^{3+}$ indirgenir ve $Fe^{2+}$ oluşur. Bu yarı tepkimede indirgenme basamağı değişimi $+3 \rightarrow +2$'dir.

Örnek 2 — Verilenler: $Ag^+ + e^- \rightarrow Ag$

Çözüm adımları:

1. Gümüş iyonu başlangıçta $+1$ yüklüdür.
2. Ürün hâlindeki elementel gümüş yüksüzdür; elementel hâlde yükseltgenme basamağı $0$ kabul edilir.
3. Değişim $+1 \rightarrow 0$ biçimindedir.
4. Değer azaldığı ve bir elektron alındığı için $Ag^+$ indirgenmiştir.

Sonuç: Gümüş iyonu elektron kazanarak nötr gümüşe dönüşür. Buradaki Ag ifadesi bir iyon değil, elementel ve yüksüz gümüştür. Bu ayrım, iyon yükü ile elementel hâlin karıştırılmasını önler.

İndirgen madde ile yükseltgen madde neden ters adlandırılır?

Redoks tepkimelerinde iki farklı adlandırma aynı olayı farklı açıdan anlatır. Elektron alan madde indirgenir; fakat bu madde elektron verdiği karşı türü indirgediği için yükseltgen madde olarak adlandırılır. Elektron veren madde yükseltgenir; karşı türün elektron kazanmasına neden olduğu için indirgen madde olarak adlandırılır.

Bu nedenle şu eşleştirme sınavlarda özellikle önemlidir:

• Elektron alan tür: indirgenir ve yükseltgendir.
• Elektron veren tür: yükseltgenir ve indirgeyendir.

Örneğin $Fe^{3+}$ bir elektronu alıp $Fe^{2+}$ oluyorsa $Fe^{3+}$ indirgenmiştir. Ancak bu elektron alışverişinde başka bir madde elektron vermişse $Fe^{3+}$, karşı maddenin indirgenmesini sağladığı için yükseltgen madde görevindedir. Bir maddenin "indirgenmesi" ile o maddenin "indirgen madde" olması aynı anlama gelmez.

Redoks tepkimesini tam yazmak için elektron sayıları da eşleştirilmelidir. Bir tür iki elektron veriyor, diğer tür bir elektron alıyorsa elektronların korunması için elektron alan yarı tepkime ikiyle çarpılır. Böylece verilen ve alınan elektron sayısı eşitlenir. Elektronlar toplam tepkimede görünmez; çünkü bir türün verdiği elektronlar diğer tür tarafından alınır.

Demir oksidin demire dönüşümünde hangi element indirgenir?

Verilen tepkime şudur:

$Fe_2O_3(k) + 3CO(g) \rightarrow 2Fe(k) + 3CO_2(g)$

Bu tepkimede redüksiyonu belirlemek için önce demirin değerini inceleyelim. $Fe_2O_3$ yüksüz bir bileşiktir ve oksijen, bu oksitte $-2$ kabul edildiğinde demirin ortalama yükseltgenme basamağı $+3$ olur. Ürün tarafında demir elementel hâlde bulunduğu için değeri $0$'dır. Değişim $+3 \rightarrow 0$ olduğundan demir indirgenmiştir.

Karşı tür olan karbon monoksitteki karbonun değeri ise yükselir. CO yüksüz olduğundan, oksijen $-2$ ise karbonun değeri $+2$'dir. $CO_2$ içinde iki oksijen toplam $-4$ olduğundan karbonun değeri $+4$ olur. Karbonun $+2 \rightarrow +4$ değişimi yükseltgenmedir. Böylece demirin indirgenmesi ile karbonun yükseltgenmesi aynı tepkimede eş zamanlı gerçekleşir.

Bu örnek, indirgenmenin yalnızca bir iyonun elektron alması şeklinde görünmek zorunda olmadığını gösterir. Bileşik içindeki elementin yükseltgenme basamağı azalabilir. Ayrıca tepkime denklemindeki hâl bilgileri de önemlidir: kaynakta demir oksit katı, karbon monoksit gazı, demir katı ve karbon dioksit gazı olarak verilmiştir.

Organik tepkimelerde ve pillerde redüksiyon nasıl yorumlanır?

Organik kimyada redüksiyon çoğu zaman moleküle hidrojen eklenmesi veya oksijenin uzaklaştırılması yönünde tanımlanır. Örneğin bir aldehit ya da ketonun alkole dönüşmesi, karbonil grubundaki değişim nedeniyle indirgenme örneği olarak verilebilir. Karbon-oksijen çift bağının karbon-oksijen tek bağına dönüşmesi veya karboksilik asidin alkole dönüştürülmesi de bu çerçevede değerlendirilir. Ancak bu kısa yollar, organik yapının tamamı incelenmeden mekanik biçimde uygulanmamalıdır; asıl karar redoks değişimine ve ilgili atomun durumuna dayanır.

Pillerde de redüksiyon ve yükseltgenme birlikte çalışır. Pil deşarj olurken anotta bir madde yükseltgenir, katotta başka bir madde indirgenir. Elektronların dış devrede hareket etmesi elektrik enerjisinin kullanılmasını sağlar. Burada önemli nokta, anot ve katot adlarının indirgenme-yükseltgenme yönüyle karıştırılmamasıdır: Deşarj olan galvanik pilde yükseltgenme anotta, indirgenme katotta gerçekleşir. Şarj sırasında dışarıdan elektrik enerjisi verildiğinde kimyasal sistemdeki değişimler ters yönde zorlanabilir; bu ifade, her pilin aynı kimyasal maddelerle sınırsız biçimde eski hâline döneceği anlamına gelmez.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan sınır durumları

1. İndirgenmeyi yalnızca oksijen kaybı sanmak: Oksijen kaybı veya hidrojen kazanımı özellikle organik kimyada kullanılan pratik göstergelerdir. Genel ve daha güvenilir ölçüt, elektron kazanımı ya da yükseltgenme basamağının azalmasıdır.

2. Elektron alan maddeye indirgen madde demek: Elektron alan tür indirgenir ve yükseltgendir. İndirgen madde ise elektron veren, yani karşı türü indirgemeye neden olan maddedir.

3. Yük ile yükseltgenme basamağını her durumda özdeş kabul etmek: $Fe^{3+}$ için iyon yükü ile yükseltgenme basamağı aynı değeri gösterir. Buna karşılık moleküler bir bileşikteki yükseltgenme basamağı biçimsel bir hesap değeridir. Bu nedenle bileşiklerde toplam yük koşulu kullanılmalıdır.

4. Bir tür indirgenince diğerinin değişmediğini düşünmek: Redüksiyon tek başına bir redoks tepkimesi olarak tamamlanmaz. Elektron alan türün karşılığında başka bir tür veya aynı türün farklı tanecikleri elektron verir. Örneğin $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$ tepkimesinde $H_2O_2$ hem indirgenir hem yükseltgenir. Elektronların sayısı da tepkimenin iki tarafında eşit olmalıdır.

5. Yükseltgenme basamağının yalnızca büyüklüğüne bakmak: Değerin artıp azalması yön belirler. Örneğin $+3$'ten $+2$'ye geçiş, sayısal olarak küçük bir değere gidiştir ve indirgenmedir; $-2$'den $-1$'e geçiş de sayı artmasına rağmen yükseltgenmedir.

6. Saf elementleri iyon gibi yazmak: $Ag$ ve $Fe$ gibi elementel ürünlerde yükseltgenme basamağı $0$'dır. Bunları sırasıyla $Ag^0$ veya $Fe^0$ diye düşünmek hesap açısından mümkün olsa da kimyasal gösterimde iyon yükü varmış gibi yazılmamalıdır.