Yükseltgenme Nedir? Elektron Kaybı, Basamak ve Redoks

Elektron kaybı ile yükseltgenme basamağı artışını birlikte okuyun

Yükseltgenme, bir atomun, iyonun veya bileşik içindeki belirli bir elementin elektron vermesidir. Bu olayın tepkime denklemindeki pratik göstergesi, ilgili elementin yükseltgenme basamağının artmasıdır. Genel gösterim şöyledir:

$M \rightarrow M^{n+} + ne^-$

Örneğin $Fe \rightarrow Fe^{3+} + 3e^-$ dönüşümünde demir yükseltgenir; çünkü yükseltgenme basamağı 0'dan +3'e çıkar ve üç elektron verir.

Ancak yükseltgenme basamağını, bileşik içindeki atomun gerçekten belirli sayıda elektronu bütünüyle kaybettiğini gösteren doğrudan bir ölçüm gibi yorumlamamak gerekir. Yükseltgenme basamağı, bağ elektronlarının daha elektronegatif atoma ait kabul edildiği biçimsel bir hesaplama değeridir. Buna rağmen redoks sorularında elektron alışverişini izlemek için kullanışlıdır.

Karar kuralı şöyledir: Bir elementin yükseltgenme basamağı tepkime boyunca artıyorsa o element yükseltgenmiştir; azalıyorsa indirgenmiştir; değişmiyorsa o element redoks değişimine katılmamıştır. Örneğin $+2 \rightarrow +3$ artış, yükseltgenmeyi; $+5 \rightarrow +2$ azalış, indirgenmeyi gösterir. Pozitiften daha az pozitif değere geçiş de azalıştır: $+2 \rightarrow 0$ indirgenmedir. Negatif bir değerin daha da negatif olması da basamak azalışı anlamına gelir: $-1 \rightarrow -2$.

Yükseltgenme basamağını bulmanın sınırları ve işlem sırası

Yükseltgenme basamağı hesabında önce elementin hangi hâlde bulunduğu belirlenmelidir. Temel kurallar şunlardır:

• Saf elementlerin yükseltgenme basamağı 0'dır. Bu nedenle $Fe$, $O_2$, $Cl_2$ ve $Na$ için değer 0 kabul edilir.
• Tek atomlu iyonlarda yükseltgenme basamağı iyon yüküne eşittir. $Fe^{3+}$ için +3, $Cl^-$ için -1'dir.
• Nötr bir bileşikte tüm yükseltgenme basamaklarının toplamı 0'a; çok atomlu bir iyonda toplam, iyonun yüküne eşittir.
• Oksijen çoğu bileşikte -2, hidrojen çoğu bileşikte +1 alınır. Ancak peroksitlerde oksijenin -1 olması ve metal hidritlerde hidrojenin -1 olması gibi istisnalar dikkate alınmalıdır.

Hesaplama sırası: önce bilinen elementlerin basamaklarını yazın, bilinmeyen elemente $x$ deyin, atom sayılarıyla çarpıp toplamı bileşiğin veya iyonun toplam yüküne eşitleyin. Örneğin $Fe_2O_3$ nötr olduğundan $2x + 3(-2)=0$ yazılır. Buradan $2x-6=0$ ve $x=+3$ bulunur.

Bu değer, bileşiğin tamamı için değil, demir elementinin o bileşikteki biçimsel basamağıdır. Saf demirdeki 0 değeriyle $Fe_2O_3$ içindeki +3 değeri karşılaştırıldığında demirin yükseltgendiği sonucuna ulaşılır.

Elektron vereni ve alanı ayırmadan redoksu tamamlayamazsınız

Yükseltgenme ve indirgenme aynı redoks tepkimesinin iki tamamlayıcı yönüdür. Elektron veren tür yükseltgenir; elektron alan tür indirgenir. Elektronlar yoktan oluşmadığı veya tepkimede kaybolmadığı için verilen elektron sayısı alınan elektron sayısına eşit olmalıdır.

Bir tür elektron veriyorsa bu tür, karşısındaki maddeyi indirgediği için indirgen madde olarak adlandırılır. Elektron alan tür ise karşısındaki maddeyi yükseltgediği için yükseltgen madde olarak adlandırılır. Burada sık karıştırılan nokta şudur: 'Yükseltgen madde' kendisi yükseltgenmez; karşı türün yükseltgenmesine neden olurken kendisi indirgenir.

Örneğin $2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$ tepkimesinde sodyum 0'dan +1'e çıkar ve yükseltgenir. Klor, $Cl_2$ içinde 0 iken $Cl^-$ hâlinde -1'e iner ve indirgenir. Sodyum elektron veren, yani indirgen maddedir; klor ise elektron alan, yani yükseltgen maddedir.

Bir tepkimenin redoks olup olmadığını anlamak için yalnızca oksijen aramak yeterli değildir. Elementlerin yükseltgenme basamaklarını tepkime öncesi ve sonrası karşılaştırmak gerekir. En az bir türün yükseltgenme basamağı artarken başka bir türün yükseltgenme basamağı azalırsa redoks tepkimesi vardır. Bu türler aynı elementin farklı türleri de olabilir.

Yükseltgenme yarı tepkimesiyle elektron dengesi nasıl kurulur?

Elektron alışverişini açıkça göstermek için tepkime yükseltgenme ve indirgenme yarı tepkimelerine ayrılabilir. Yükseltgenme yarı tepkimesinde elektronlar ürün tarafında yazılır; çünkü elektron veren tür yükseltgenmektedir.

Demirin iyonlaşması: $Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$

Bakır(II) iyonunun indirgenmesi: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$

Bu iki yarı tepkime toplandığında elektronlar iki tarafta bulunduğu için sadeleşir: $Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu$

Burada demirin basamağı 0'dan +2'ye yükselir; bakırın basamağı +2'den 0'a düşer. Elektron sayıları ikişer olduğu için ek katsayı gerekmez.

Elektron sayıları farklıysa katsayılar eşitlenir. Örneğin demir üç elektron verirken oksijen atomu iki elektron alıyorsa, en küçük ortak sayı olan 6 kullanılır: iki demir toplam 6 elektron verir, üç oksijen atomu toplam 6 elektron alır. Bu işlem, redoks denklemi denkleştirilirken atom ve yük korunumu ile birlikte değerlendirilmelidir. Elektronları yalnızca bir tarafa ekleyip diğer yarı tepkimeyi dengelemeden sonuca gitmek, özellikle iyonik denklemlerde hataya yol açar.

Korozyon, pil ve elektrolizde yükseltgenmenin konumu

Korozyonda metalin çevresiyle tepkimeye girerek elektron vermesi temel yükseltgenme adımıdır. Demirin paslanması basitleştirilmiş olarak demirin 0'dan pozitif bir basamağa geçmesi ve oksijenin elektron almasıyla açıklanır. Gerçek pas tabakası tek bir saf bileşikten ibaret olmayabilir; bu nedenle $Fe_2O_3$ gösterimi öğretici bir basitleştirme olarak kullanılmalıdır.

Galvanik pilde kendiliğinden gerçekleşen redoks tepkimesi kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Pilin hangi türünde gerçekleştiğinden bağımsız olarak yükseltgenme elektrotu anot, indirgenme elektrotu katottur. Bu adlandırma, elektrodun pilde pozitif veya negatif olmasından daha temel bir ölçüttür; çünkü işaret, pilin çalışma düzenine göre değerlendirilir.

Elektrolizde dışarıdan elektrik enerjisi verilerek kendiliğinden gerçekleşmeyen bir redoks değişimi yürütülür. Burada da anot yükseltgenme, katot indirgenme yeridir. Dolayısıyla 'anotta yükseltgenme, katotta indirgenme' kuralı pil ve elektroliz için ortak kalırken elektrotların elektriksel işaretleri aynı olmak zorunda değildir.

Bu bağlantıları incelerken elektronların hareket yönü ile geleneksel akım yönünü birbirine karıştırmamak gerekir. Redoks hesabında izlenen parçacık elektrondur; pilin çalışma ayrıntılarında iyonların ve dış devrenin hareketi ayrıca değerlendirilir.

Çözümlü örnekler: basamak değişiminden sonuca ulaşma

Aşağıdaki örneklerde önce verilenler yazılır, sonra basamak değişimi ve elektron sayısı bulunur.

Örnek 1 — Demirin oksitlenmesi

Verilenler: Basitleştirilmiş tepkime $4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3$. Saf demir ve saf oksijende yükseltgenme basamağı 0'dır. $Fe_2O_3$ içinde oksijen -2'dir.

1. Demirin ürün basamağını bulun: Bileşik nötr olduğu için $2x + 3(-2)=0$. Buradan demir için $x=+3$ çıkar.

2. Değişimi karşılaştırın: Demir $0 \rightarrow +3$ geçişi yapar; basamağı arttığı için yükseltgenmiştir. Her Fe atomu 3 elektron verir.

3. Oksijeni inceleyin: Oksijen $O_2$ içinde 0, oksit içinde -2 olur. Basamak azaldığı için oksijen indirgenmiştir. Her oksijen atomu 2 elektron alır.

4. Elektronları eşitleyin: Dört Fe atomu $4 \times 3=12$ elektron verir. Üç $O_2$ molekülünde altı oksijen atomu vardır; bunlar $6 \times 2=12$ elektron alır.

Sonuç: Demir yükseltgenen ve elektron veren türdür; oksijen indirgenen ve elektron alan türdür. Denklemdeki katsayılar elektron alışverişini de dengeler.

Örnek 2 — Oksijensiz yükseltgenme

Verilenler: $2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$.

1. Başlangıç basamakları: Saf Na ve $Cl_2$ için değer 0'dır.

2. Ürün basamakları: $NaCl$ iyonik bileşiğinde Na için +1, Cl için -1 alınır; toplam $+1+(-1)=0$ olur.

3. Değişimleri belirleyin: Her Na $0 \rightarrow +1$ geçişiyle bir elektron verir. İki Na toplam 2 elektron verir. Klor molekülündeki iki Cl atomunun her biri $0 \rightarrow -1$ geçişiyle bir elektron alır; toplam alınan elektron 2'dir.

Sonuç: Na yükseltgenmiş, $Cl_2$ indirgenmiştir. Tepkimede oksijen bulunmadığı hâlde elektron kaybı gerçekleştiği için bu olay yükseltgenmedir.