Reaksi Reduksi Oksidasi (Reaksi REDOKS)

Reaksi Reduksi Oksidasi

              Oksigen bereaksi dengan kebanyakan unsur membentuk senyawa yang disebut oksida dan sejak oksigen ditemukan, istilah oksidasi dihubungkan dengan reaksi bentuk ini. Magnesium, misalnya, dapat bereaksi langsung dengan oksigen, sehingga permukaan logam yang terbuka segera dioksidasi membentuk lapisan magnesium oksida  (MgO). Besi juga dapat dioksidasi  secara perlahan-lahan di udara dan membentuk karat yang terdiri dari Fe₂O₃. Sejak zaman besi (iron age) telah diketahui zat yang sekarang sering kita sebut besi oksida dapat diuraikan atau direduksi menjadi logam. Pemulihan kembali suatu logam dari oksida logamnya dikenal dengan nama reduksi.

              Dalam istilah sekarang, oksidasi dan reduksi mempunyai arti yang lebih luas. Sebagaimana yang dapat kita lihat, jika kita analisis apa yang terjadi apabila suatu logam misalnya besi dioksidasi dan oksida ini direduksi. Besi oksida (Fe₂O₃) adalah suatu senyawa ion yang terdiri dari ion Fe³⁺ dan O^2-. Jika besi bereaksi dengan oksigen :

4Fe_(s) + 3O_2(g) -> 2Fe₂O_3(s)

              Besi yang semula sebagai atom netral menjadi bermuatan listrik dengan melepaskan elektronnya membentuk ion Fe³⁺.  Jika oksida ini direduksi menjadi logam besi, reaksi kebalikan pasti terjadi, maka ion Fe³⁺ mengambil elektron membentuk atom Fe. Kejadian pelepasan dan pengambilan elektron, yang terjadi pada banyak reaksi yang sama, diasosiasikan dengen istilah oksidasi dan reduksi.

Reaksi yang melibatkan oksidasi dan reduksi disebut reaksi reduksi-oksidasi atau reaksi redoks sebagai singkatannya.

              Sekarang kita telah mempunyai defenisi ini, mari kita perlihatkan suatu reaksi untuk melihat bagaimana istilah ini dipakai. Perhatikan oksidasi magnesium seperti yang telah diuraikan di atas.

2Mg_(s) + O_2(g) -> 2MgO_(s)

              Hasil reaksi MgO merupakan senyawa ion yang mengandung ion Mg²⁺ dan O^2-, yang terbentuk dari perpindahan elektron dari magnesium ke oksigen. Kita dapat menganalisis perpindahan elektron ini dengan memperhatikan pelepasan dan pengambilan elektron oleh atom-atom secara terpisah. Jika digunakan lambang e^- untuk elektron, maka pelepasan elektron oleh magnesium dapat ditulis

Mg -> Mg²⁺ + 2e^- (oksidasi)

Perubahan ini disebut oksidasi karena magnesium kehilangan elektron. Untuk oksigen dalam reaksi ini dapat  ditulis

O₂ + 4e- ->2O^2- (reduksi)

Pada keadaan ini perubahannya disebut reduksi karena oksigen menerima elektron. Oleh sebab itu, dalam reaksi ini, magnesium dioksidasi dan oksigen direduksi. Untuk reaksi ini dan setiap reaksi redoks lainnya, kedua reaksi, oksidasi dan reduksi terjadi secara serempak (simultan). Tidak pernah dijumpai baik sebagai peraksi maupun sebagai hasil reaksi dalam setiap perubahan kimia. Dalam reaksi ini juga dibutuhkan jumlah total elektron yang diterima tepat sama dengan jumlah total elektron yang dilepaskan. Dalam reaksi Mg dengan O₂, dua atom Mg bereaksi dengan setiap O₂. Dua atom Mg kehilangan 4e^-, dimana satu O₂ menerima 4e^- .

              Dua istilah yang sering digunakan dalam menerangkan reaksi redoks adalah senyawa pengoksidasi dan senyawa pereduksi. Senyawa pengoksidasi (oxydizing agen) adalah zat yang mengambil elektron dari zat yang dioksidasi, dengan cara itu menyebabkan terjadinya oksidasi. Hal ini yang dilakukan oleh O₂ dalam reaksi antara Mg dan O₂ dimana O₂ mengambil elektron  dari Mg yang menyebabkan Mg dioksidasi. Jadi, O₂ adalah senyawa pengoksidasi. Perhatikan bahwa senyawa pengoksidasi (O₂) direduksi dalam reaksi ini.

              Senyawa pereduksi adalah zat yang memberi elektron kepada suatu zat lainnya yang direduksi, dengan cara itu menyebabkan terjadinya reduksi. Hal ini yang dilakukan oleh Mg ketika bereaksi dengan O₂, Mg memberi elektron kepada O₂ dan menyebabkan O₂ direduksi. Perhatikan bahwa senyawa pereduksi (Mg) dioksidasi.

Bilangan Oksidasi

Reaksi oksigen dengan magnesium dan dengan belerang,

2Mg_(s) + O_2(g) ->2MgO_(s)

S_(s) + O_2(g) ->SO_2(g)

mempunyai paling sedikit satu keasaman. Kedua reaksi menghasilkan oksida. Bagaimanapun juga ada beberapa perbedaan yang mencolok di antara kedua senyawa ini, seperti yang telah diuraikan sebelumnya. Magnesium oksida adalah senyawa ion, tetapi belerang oksida adalah senyawa molekuler (kovalen) dan tidak mengandung ion. Akan tetapi, bagaimanapun juga harus berhati-hati, kita perlu memperlakukan kedua reaksi ini dengan suatu cara agar tetap tercapai ketentuan bahwa oksigen mengoksidasi baik magnesium maupun belerang. Dengan perkataan lain, kita perlu memperlakukan kedua reaksi ini sebagai reaksi redoks. Bilangan oksidasi memungkinkan kita untuk melakukan hal ini.

              Bilangan oksidasi adalah bilangan (baik positif maupun negatif) yang diberi tanda pada atom dalam suatu senyawa, agar dapat diketahui perubahan-perubahan yang terjadi dalam reaksi redoks. Bilangan ini mengikuti suatu aturan yang diuraikan di bawah ini. Setiap zat diperlakukan, bahwa zat tersebut berbentuk ion dan berfungsi sebagai pengumpul ion bermuatan listrik. Dalam rangka menentukan bilangan oksidasi, kita harus menentukan apakah suatu senyawa berbentuk ion atau berbentuk molekuler. Hal ini yang berarti untuk zat berbentuk molekuler bilangan oksidasinya merupakan muatan yang khayal.

Aturan untuk Menentukan Bilangan Oksidasi

1.      Bilangan oksidasi setiap unsur dalam membentuk unsurnya adalah nol, tanpa memperhatikan rumitnya bentuk molekul di mana unsur itu berada. Jadi, atom dalam Ne, F₂, P₄, dan S₈ semuanya mempunyai bilangan oksidasi nol.

2.      Bilangan oksidasi setiap ion yang mengandung satu atom (monoatomic ion), suatu ion yang hanya terdiri dari satu atom, sama dengan muatan yang ada dalam ion. Dengan demikian ion Na⁺, Al³⁺ dan S^2- mempunyai bilangan oksidasi +1, +3, dan -2.

3.      Jumlah semua bilangan oksidasi dari semua atom dalam suatu senyawa adalah nol. Untuk ion yang mengandung banyak atom (poliatom), jumlah bilangan oksidasi harus sama dengan muatan yang ada pada ion.

Sebagai tambahan pada aturan ini, kita perlu mengikuti ketentuan berikut, apabila kita ingin menentukan bilangan oksidasi atom-atom tertentu dalam suatu senyawa :

4.      Fluor mempunyai bilangan oksidasi -1.

5.      Hidrogen mempunyai bilangan oksidasi +1.

6.      Oksigen mempunyai bilangan oksidasi -2.

Untuk menentukan bilangan oksidasi, kadang-kadang ditemukan situasi dimana aturan ini saling bertentangan, Jika hal ini terjadi, aturan yang lebih tinggi yang digunakan.

Ketentuan di atas ditambah dengan apa yang telah dipelajari sebelumnya tentang ion yang diperoleh dari bermacam-macam logam dan non logam, memungkinkan kita menentukan bilangan oksidasi dari atom dalam bermacam-macam zat.

Contoh. Menentukan Bilangan Oksidasi dalam Atom

Tentukan bilangan oksidasi yang ada dalam setiap atom dalam senyawa berikut :

a.       FeCl₃

b.      KNO₃

c.       H₂O₂

d.      Fe₂(SO₄)₃

e.       Cr₂O₇^2-

f.       CIO₃^-

g.      Na₂S₄O₆

Penyelesaian

a.     Kita perlakukan senyawa yang dibentuk dari logam dan non logam sebagai suatu senyawa ion. Kita telah mempelajari bahwa klor membentuk ion negatif Cl^-. Jadi, bilangan oksidasi dari Cl dalam senyawa ini adalah -1. (Oleh karena bilangan oksidasi dan muatan tidak selalu sama, terutama untuk senyawa dalam bentuk molekul, kita perlu membedakan antara kedua hal tersebut sejelas mungkin. Oleh sebab itu, penulisan tanda di depan angka untuk angka bilangan oksidasi, ditulis -1 dan penulisan angka di depan tanda untuk menjelaskan muatan yang sebenarnya pada ion, ditulis 1- untuk Cl^-). Bilangan oksidasi Fe dapat ditentukan menggunakan jumlah bilangan oksidasi (ketentuan no. 3).

Cl 3 x (-1) = -3

Fe 1 x (x) = x

-------------------

Jumlah = 0

Jumlahnya sama dengan nol sehingga bilangan oksidasi besi adalah +3. Memang kita dapat juga sampai pada kesimpulan ini dengan mengingat bahwa besi dalam senyawa ini adalah sebagai ion Fe³⁺. Jadi, bilangan oksidasi besi adalah +3 sesuai ketentuan no.2.

b.    Kalium (golongan IA) membentuk ion dengan muatan 1+ (K⁺) sehingga bilangan oksidasi dari K adalah +1 (ketentuan No.2). Oksigen ditentukan bilangan oksidasinya -2 (ketentuan no.6). Kita peroleh bilangan N dengan menggunakan ketentuan No.3.

K 1 x (+1) = +1 (ketentuan no.2)

O 3 x (-2) = -6 (ketentuan no. 6)

N 1 x  (x) = x

------------------------------------------------

Jumlah = 0 (ketentuan no.3)

Untuk mendapatkan jumlah menjadi nol, maka x harus +5 sehingga bilangan oksidasi N dalam senyawa ini adalah +5.

c.    H₂O₂ adalah senyawa yang dibentuk dari non logam, maka senyawa ini berbentuk molekul. Oleh karena tidak ada ion, maka kita dapat menggunakan ketentuan no.2. ketentuan no. 5 dan no.6 digunakan untuk H dan O, tetapi terjadi pertentangan. Jika kita ambil H menjadi +1 sesuai ketentuan no. 5, maka O harus ditentukan mempunyai bilangan oksidasi -1, agar diperoleh jumlah bilangan oksidasi menjadi nol. Sebaliknya, jika kita tentukan bilangan oksidasi O adalah -2, sesuai ketentuan no.6, maka H harus +2, agar jumlahnya menjadi nol. Seperti telah diberitahukan sebelumnya, jika kita menghadapi ketentuan yang bertentangan, maka digunakan ketentuan rumus yang lebih di atas dari semua ketentuan tersebut. Oleh sebab itu, kita tentukan H menjadi +1 dan bilangan oksidasi O dalam senyawa ini adalah -1.

d.    Fe₂(SO₄)₃ adalah senyawa ion, yang terdiri dari ion SO₄^2- dan ion Fe³⁺. Bilangan oksidasi Fe³⁺ adalah +3. Oksigen mempunyai bilangan oksidasi -2, sesuai ketentuan no.6. Oleh sebab itu,

Fe 2 x (+3) = +6 (ketentuan No.2)

S 3 x (x) = 3x

O 12 x (-2) = -24 (ketentuan No. 6)

-------------------------------------------------------

Jumlah = 0

3x + (+6) + (-24) = 0

3x = +18

x = +6

Bilangan oksidasi S adalah +6 dalam senyawa ini.

e.       Untuk ion Cr₂O₇^2- , jumlah bilangan oksidasi harus sama dengan muatan ion. Oleh sebab itu,

Cr 2 x (x) = 2x

O 7  x  (-2) = -14 (ketentuan no.6)

----------------------------

Jumlah - -2 (ketentuan no.3)

2x + (-14) = -2

x = +6

Dalam ion ini, bilangan oksidasi Cr adalah +6. Meskipun demikian, perlu diingat bahwa atom dalam ion poliatom terikat bersatu oleh gaya tarik menarik yang sama dan menyatukan atom-atom itu dalam molekul. Tidak ada ion Cr⁺⁶ dalam Cr₂O₇^2-. Sama halnya seperti zat yang berbentuk molekul, bilangan oksidasi dari Cr dan O tidak sama dengan muatan ion yang sebetulnya dari masing-masing unsur tersebut.

f.     Ion CIO₃^- terdiri dari dua unsur nonlogam, yang berarti ion terikat menjadi satu oleh gaya tarik yang sama yang ada dalam molekul. Ini berarti kita tidak dapat menganggap Cl berada dalam bentuk ion Cl^- dalam ion CIO₃^- sehingga kita tidak dapat menggunakan ketentuan No.2 dalam hal ini. Meskipun demikian, ketentuan No. 6 memperlihatkan kepada kita bahwa oksigen mempunyai bilangan oksidasi sebesar -2. Jadi, kita dapat menghitung berapa seharusnya untuk Cl, di mana jumlah bilangan oksidasi harus sama dengan muatan ion.

Cl 1 x (x) = x

O 3 x (-2) = -6 (ketentuan No.6)

---------------------------------------------

Jumlah = -1 (ketentuan No.3)

Dengan demikian, tidak sulit untuk mengetahui bahwa klor mempunyai bilangan oksidasi sebesar +5.

g.      Sekali lagi, jumlah bilangan oksidasi harus nol. Natrium oksida adalah logam alkali, maka pasti Na⁺. Jadi, bilangan oksidasinya adalah +1. Bilangan oksidasi oksigen adalah -2 menurut ketentuan No.6. Oleh sebab itu,

Na 2 x (+1) = +2 (ketentuan No.2)

S 4 x (x) = 4x

O 6 x  (-2) = -12 (ketentuan No.6)

----------------------------------------------

Jumlah = 0

(+2) + (+4x) + (-12) = 0

4x = +10

x = +5/2

Bilangan oksidasi belerang adalah + 5/2. Perhatikan bilangan oksidasi ini tidak dalam bentuk bilangan bulat (walaupun angka ini sering ditemukan).

Penggunaan Bilangan Oksidasi

              Dalam reaksi redoks, terjadi perubahan bilangan oksidasi atau keadaan oksidasi (istilah ini digunakan untuk memperlihatkan sesuatu yang saling mengubah) dari dua atau lebih unsur. Perhatikan, misalnya reaksi antara magnesium dan oksigen.

2Mg + O₂ -> 2 MgO

                                                                             0        0          +2 -2

dimana ditulis bilangan oksidasinya di bawah simbol kimianya. Terlihat bahwa bilangan oksidasi Mg berubah menjadi 0 menjadi +2 dan bilangan oksidasi O berubah dari 0 menjadi -2. Dengan demikian, oksidasi Mg diikuti oleh kenaikan bilangan oksidasi (kenaikan yang dimaksud di sini adalah bilangan oksidasi Mg menjadi lebih positif). Reduksi O₂ sebaliknya diikuti oleh penurunan bilangan oksidasi (penurunan dalam kalimat ini maksudnya adalah bilangan oksidasi O menjadi kurang positif atau lebih negatif). Dengan demikian, hal ini memberikan kepada kita cara yang lebih umum untuk mendefinisikan oksidasi dan reduksi berkaitan dengan perubahan dalam bilangan oksidasi.

Oksidasi adalah kenaikan bilangan oksidasi.

Reduksi adalah penurunan bilangan oksidasi.

              Untuk tetap konsisten dengan defenisi sebelumnya, senyawa pengoksidasi (oxidizing agent) adalah zat yang direduksi dan senyawa pereduksi  (reducing agent) adalah zat yang dioksidasi.

              Dengan menggunakan defenisi ini, dapat dilihat bahwa reaksi antara belerang dan oksigen juga merupakan suatu reaksi redoks. Di bawah ini ditulis kembali persamaan reaksinya dengan menambahkan bilangan oksidasi di bawah setiap simbol kimianya.

S + O₂ -> SO₂

                                                                                0     0      +4-2

Perhatikan bahwa bilangan oksidasi belerang naik dari o  menjadi +4 maka belerang dioksidasi. Bilangan oksidasi O berkurang dari 0 menjadi +2, maka senyawa O₂ direduksi. Ini berarti O₂ adalah senyawa pengoksidasi dan S adalah senyawa pereduksi.

Contoh :

Dalam reaksi berikut, zat mana yang  dioksidasi dan zat mana yang dreduksi ? Zat mana yang merupakan pengoksidasi dan zat mana yang merupakan pereduksi ?

14HCl + K₂Cr₂O₇ ->  2KCl + 2CrCl₃ + 3Cl₂ + 7H₂O

Penyelesaian

14HCl + K₂Cr₂O₇ ->  2KCl + 2CrCl₃ + 3Cl₂ + 7H₂O

   +1-1    +1 +6 -2            +1  -1      +3-1         0           +1  -2

Sekarang kita perhatikan perubahan dalam bilangan oksidasi . Kita lihat bahwa bilangan oksidasi Cl berubah dari -1 menjadi 0. Ini berarti terjadi kenaikan bilangan oksidasi (menjadi lebih sedikit negatifnya berarti sama dengan menjadi lebih banyak positifnya) sehingga zat yang dioksidasi adalah HCl. Terlihat juga bahwa Cr berubah dari +6 menjadi +3. Ini berarti bilangan oksidasinya berkurang sehingga K₂Cr₂O₇ direduksi.

              Zat pengoksidasi (oxidizing agent) adalah zat yang direduksi, yaitu K₂Cr₂O₇. Zat pereduksi (reducing agent) adalah zat yang dioksidasi, yaitu HCl.

Perhatikan dalam contoh ini, bilangan oksidasi ditulis untuk bermacam-macam atom untuk menunjukkan perubahan yang terkait dengan oksidasi dan reduksi. Namun, untuk menentukan zat yang dioksidasi dan direduksi, rumus kimia dari zat tersebut harus diperinci bilangan oksidasinya. Hal ini desebabkan bilangan oksidasi hanya merupakan alat berhitung (book keeping tool) yang digunakan untuk mengikat reaksi redoks. Reaksi kimia yang sebenarnya terjadi pada umumnya mengikutsertakan semua molekul atau ion poliatom, tidak hanya masing-masing atom yang ada dalam partikel. Hal ini dapat diketahui dengan cara menentukan rumus kimia (formula) zat yang dioksidasi dan yang direduksi.

 Reaksi redoks dapat dijumpai pada proses fotosintesis tumbuhan hijau dengan bantuan sinar matahari. Proses fotosintesis melibatkan reduksi karbon dioksida (CO₂) menjadi glukosa (C₆H₁₂O₆) dan oksidasi air (H₂O) menjadi oksigen (O₂). Hasil fotosintesis berupa glukosa dan oksigen yang digunakan tumbuhan untuk memenuhi kebutuhan hidupnya. Sebaliknya, proses respirasi pada tumbuhan melibatkan oksidasi glukosa (C₆H₁₂O₆) menjadi karbon dioksida (CO₂) dan reduksi oksigen (O₂) menjadi air (H₂O).