Phản ứng oxid hóa khử
Phản ứng oxid hóa khử hay còn được gọi là oxid hóa hoàn nguyên trong hóa học hữu cơ (không nên viết là oxi hóa vì khiến người đọc nhầm lẫn với các quá trình khác mà dùng đến oxygen phân tử[1]) là một loại phản ứng hóa học có sự thay đổi trạng thái oxid hóa hay số oxid hóa của tác chất. Sự oxid hóa là sự nhường, cho, mất đi điện tử (electron) hay sự tăng số oxid hoá. Ngược lại, sự khử là sự nhận điện tử hay giảm số oxid hóa.[2]
Phản ứng oxid hóa khử được chia thành hai nhóm chính:
- Sự chuyển dời điện tử: Thông thường, chỉ có một điện tử di chuyển từ một phân tử, ion, hay một nguyên tử bị oxid hóa đến một phân tử, ion, hay một nguyên tử bị hoàn nguyên. Loại phản ứng này thường được nhắc đến khi nói về sự oxid hóa khử của một cặp hợp chất hay trong điện hóa học.
- Sự chuyển dời phân tử: Một phân tử di chuyển từ tác chất sang tác chất khác. Ví dụ, khi sắt bị gỉ, trạng thái oxid hóa của các phân tử sắt tăng khi sắt biến đổi thành sắt oxid, cùng lúc đó trạng thái oxid hóa của oxygen giảm khi nhận được điện tử từ phân tử sắt. Mặc dù phản ứng oxid hóa thường gắn liền với sự tạo oxid (như sắt (II) oxid), phản ứng này vẫn có thể xảy ra với các tiểu phân (species) khác. Trong phản ứng hydrogen hóa (hydrogenation), nối đôi C=C bị khử hay hoàn nguyên bởi sự chuyển dời của phân tử hydrogen.
Số oxid hóa
Số oxid hóa hay trạng thái oxid hóa (oxidation state) đặc trưng cho điện tích hình thức của một phân tử trong một nguyên tử (hay một ion).[3]
Chất oxid hóa
Chất oxid hóa lấy đi điện tử từ một chất khác, khi đó bản thân nó bị khử. Vì có khả năng nhận điện tử, chất oxid hóa còn được gọi là chất nhận điện tử (electron acceptor). Chất oxid hóa thường là các hợp chất có các nguyên tố ở trạng thái oxid hóa cao, ví dụ như H2O2, MnO−
4, CrO3, Cr
2O2−
7, OsO4, NO−
3, SO2−
4,... hoặc là các nguyên tố có độ âm điện cao như O2, F2, Cl2, Br2, I2... có khả năng nhận điện tử bằng cách oxid hóa chất khác.
Ban đầu, sự oxid hóa được gắn cho các phản ứng có sự hiện diện của oxygen tạo thành một oxid. Sau này, thuật ngữ đó được mở rộng, bao hàm cả các hợp chất thực hiện phản ứng hóa học tương tự với oxygen. Hiện nay, thuật ngữ được dùng chung cho các phản ứng mà có sự nhường điện tử hay tăng số oxid hóa của các tiểu phân. Một chất có khả năng oxid hóa một chất khác (làm cho chúng mất đi điện tử) thì được cho là có tính oxid hóa và được gọi là chất oxid hóa, hay tác nhân oxid hóa.
Chất khử
Những chất có khả năng khử chất khác (cho chúng điện tử) được cho là có tính khử và được gọi là chất khử, hay tác nhân khử, tác nhân hoàn nguyên. Chất khử nhường điện tử cho một chất khác, do đó bản thân nó bị oxid hóa. Vì có khả năng nhường điện tử, chất khử còn được gọi là chất nhường điện tử (electron donor). Chất khử trong hóa học rất đa dạng. Các nguyên tố kim loại đó độ âm điện dương như lithium, sodium, magnesium, sắt, kẽm, nhôm, là các chất khử tốt. Những kim loại đó nhường điện tử tương đối dễ dàng.
Trong hóa học hữu cơ, các tác nhân cho hydride như NaBH4, LiAlH4, khử bằng sự chuyển dời phân tử, chúng chuyển dời một anion hydride H-. Các tác nhân đó được dùng nhiều trong các phản ứng hoàn nguyên hợp chất carbonyl thành alcohol. Một phản ứng liên quan khác là sự hoàn nguyên bằng khí hydrogen có xúc tác, trong đó có sự chuyển dời các phân tử hydrogen.[4]
Thuật ngữ "sự khử" ban đầu được gắn cho sự giảm khối lượng khi nung nóng quặng kim loại chứa các oxid kim loại để thu được kim loại. Nói cách khác, quặng "bị khử" thành kim loại. Antoine Lavoisier đã cho thấy sự giảm đi của khối lượng là do sự mất đi oxygen phân tử dưới dạng khí. Sau đó, các nhà khoa học nhận ra rằng phân tử kim loại đã nhận điện tử trong quá trình đó. Sau này, sự khử được mở rộng và bao hàm chung cho các quá trình có sự nhận điện tử.
Phân loại phản ứng oxid hóa khử
Phản ứng oxid hóa khử có thể được phân loại thành các phản ứng con khác như sau:[3]
- Phản ứng kết hợp
- Phản ứng phân hủy
- Phản ứng cháy
- Phản ứng thế (thế hydrogen, thế kim loại, thế halogen)
- Phản ứng dị giải
Cần lưu ý rằng không phải tất cả phản ứng kết hợp hay phân hủy đều là phản ứng oxid hóa khử.