Окисно-відновні реакції

Окислювально-відновні реакції – ключові поняття

Ступінь окислення

Ступінь окислення хімічного елемента — це гіпотетичний заряд, який міг би накопичуватися на атомі певного елемента, що міститься в хімічній сполукі, якби всі хімічні зв’язки в цій сполукі були іонними. На практиці така ситуація має місце не завжди (розпад сполуки на окремі катіони та аніони), тому до ступеня окислення слід ставитися як до загальноприйнятого поняття. Ступінь окислення дорівнює заряду конкретного іона, тому він приймає або позитивні, або негативні значення. Позначається римською цифрою, що ставиться після символу хімічного елемента. Елементи в різних ступенях окиснення мають різні окисно-відновні властивості.

Окислення

Під час окиснення (деелектронування) відновник підвищує ступінь окиснення, тобто віддає електрони окиснику. Ні окиснення, ні відновлення не можуть відбуватися незалежно, тому що електрони, віддані однією хімічною структурою, повинні бути негайно прийняті іншою, щоб відбулася протилежна реакція.

Зменшення

Під час відновлення (електронізації) окисник знижує свій ступінь окиснення, приймаючи електрони, тобто відновлення відбувається з відбиранням електронів. Хімічні елементи, які це роблять, називають окисниками.

Реакція диспропорціонування (дисмутація)

Реакція диспропорціонування є одним із видів окисно-відновних реакцій. У літературі також можна зустріти термін: реакція дисмутації. Його особливість полягає в тому, що в ході окисно-відновної реакції один і той же елемент одночасно окислюється і відновлюється. Для того, щоб мати місце диспропорціонування, відповідний елемент повинен мати принаймні три різні ступені окислення. Якщо ця умова виконується, сполука, яка перебуває в проміжному ступені окислення, набагато менш стабільна порівняно з двома іншими станами. реакції диспропорційності протікають спонтанно. Такі атоми, як сірка, азот, фосфор або марганець, сприйнятливі до цього типу окисно-відновної реакції.

Реакція синпропорційності

Реакція синпропорціонування, як і диспропорціонування, також є різновидом окисно-відновної реакції. Цей процес відбувається, коли дві різні хімічні сполуки, що містять один і той же елемент у різних ступенях окислення, реагують одна з одною. У результаті окислювально-відновної реакції утворюється інша сполука, що містить цей елемент у новому ступені окиснення.

Електронний баланс

У кожній окислювально-відновній реакції, що відбувається, відбувається обмін однаковою кількістю електронів. Якщо в певному процесі відновник віддає, наприклад, два електрони, інший з пари, окисник, також прийме два електрони на свою електронну оболонку. Ця ситуація називається так званим електронним балансом реакції. Для всієї окисно-відновної реакції цей баланс повинен дорівнювати нулю.

Як відбуваються окисно-відновні реакції?

В основі будь-якої окисно-відновної реакції лежить окислення і відновлення. Враховуючи це, будь-який процес можна записати за допомогою так званих напіврівнянь, у яких вказані лише атоми, що віддають або приймають електрони. Таким чином, уся окислювально-відновна реакція певним чином полягає у віддачі та відведенні електронів. Тільки ті елементи, які зустрічаються в більш ніж одному ступені окислення в хімічних сполуках, можуть це робити. Знання його станів в окремих хімічних утвореннях має важливе значення для правильного запису та збалансування окисно-відновних реакцій. Під час урівноваження електронів, крім правильного написання напіврівнянь, слід вказати реакції окиснення та відновлення, а також окисник і відновник відповідно. Окисники найчастіше включають сильно електронегативні елементи (групи 16 і 17 періодичної таблиці ), іони металів у вищих ступенях окислення, іони благородних металів і кислоти-окислювачі (наприклад, азотна (V) кислота , сірчана (VI) кислота та їх суміші з іншими неактивними речовинами. -окислювальні кислоти). Найпоширенішими окислювачами є такі сполуки, як KMnO ₄ , K ₂ Cr ₂ O ₇ , KClO ₃ або K ₂ S ₂ O ₈ . З іншого боку, відновниками є електропозитивні елементи (зазвичай з груп 1 і 2 періодичної таблиці), метали в нульовому ступені окислення, молекулярний водень, вуглець, оксид вуглецю та аніони неорганічних кислот. Найбільш популярними відновниками є: Na, Mg, Fe ²⁺ , Cl ^– , Br ^– , SCN ^– . Крім того, формула окисно-відновної реакції вказує на кількість електронів, які обмінюються в процесі. Хід цього обміну електронами визначається окисно-відновним потенціалом залучених реагентів. Іншими словами, це можна назвати потенціалом напівелемента або потенціалом електрона. За визначенням, чим більша різниця потенціалів у системі, тим більша рушійна сила всієї окислювально-відновної реакції.

Чи можна спостерігати окисно-відновні реакції в повсякденному житті?

Може здатися, що окисно-відновні реакції зустрічаються лише на сторінках шкільних підручників і на уроках хімії. Однак нічого не може бути далі від цього. Подібні реакції супроводжують нас щодня. Варто дізнатися про них більше, щоб з більшим розумінням спостерігати за процесами та навколишнім середовищем. Нижче наведено приклади повсякденних окисно-відновних реакцій, з якими кожен із нас напевно стикався:

• Корозія металів – це найпоширеніший процес псування металів та їх сплавів. Це виникає в результаті контакту поверхні відповідного матеріалу з навколишнім середовищем і атмосферними умовами. З точки зору механізмів корозійних процесів найбільш поширеною є електрохімічна корозія, яка відбувається в середовищі електроліту, у вологих газах або в грунті з підвищеним рівнем вологості. У місці виникнення корозії утворюється так звана корозійна комірка, в якій відбуваються електродні окисно-відновні реакції. Псування металу завжди відбувається в анодній зоні. Там електрони віддає метал, який окислюється і у вигляді іонів переходить у розчин електроліту. Вивільнені заряди мігрують до катода. Там вони поєднуються з іонами або атомами, які мають здатність приймати електрони. Найчастіше це атоми кисню з повітря (на катоді вони відновляться до гідроксид-іонів) або іони водню (вони відновляться до молекулярного водню). На катоді може відбуватися один або обидва ці процеси одночасно.
• Фотосинтез – це процес, який супроводжує нас щодня. Під час фотосинтезу клітини перетворюють атмосферний вуглекислий газ і воду в глюкозу і кисень за допомогою сонячної енергії. Подібно до багатьох біохімічних процесів, що відбуваються в живих організмах, фотосинтез також передбачає зміну ступенів окислення елементів, що входять до складу реагентів. У цій окисно-відновній реакції атом кисню в молекулі води окислюється до молекулярного кисню. Отже, молекула води є донором електронів, або відновником. Акцептором утвореного заряду, або окислювачем, є вуглекислий газ. Вхідні до нього атоми вуглецю в четвертому ступені окислення відновлюються до нульового ступеня окислення.
• Гальванічні елементи – це елементи, що складаються з двох електродів, занурених в один і той же електроліт (або різні електроліти), які з’єднані один з одним за допомогою зовнішнього ланцюга. Кожен електрод, занурений у свій електроліт (напівелемент), проявляє певний потенціал. Результуюча різниця потенціалів, тобто потік струму (електронів), зумовлений окислювально-відновними реакціями. Напівпроцеси відбуваються на кожному електроді. На аноді в результаті реакції окислення віддаються електрони, які потім приймаються на другому електроді – катоді – в реакції відновлення. Найпоширенішими пристроями, що використовують гальванічні елементи, є акумулятори, які є джерелом енергії, наприклад, для автомобілів. Найпоширеніший свинцево-кислотний електрод складається з двох електродів. Один із них — це чистий свинець, а інший — покритий оксидом свинцю (IV). Обидва занурені в 37%сірчану (VI) кислоту. Це забезпечує вільний обмін електронами між катодом і анодом. Під час роботи акумулятора починають відбуватися окисно-відновні реакції. У цьому випадку анодом є свинцевий електрод. Свинець починає окислюватися і переходить від нульового ступеня окислення до другого ступеня окислення. При цьому вивільняються два електрони, які через електроліт мігрують до катода. Там починається процес відновлення свинцю з четвертого ступеня окиснення до свинцю (II), тобто плюмбум (IV) оксид перетворюється на плюмбум (II) сульфат. У випадку акумулятора окислювально-відновна реакція є джерелом енергії, яке можна використовувати для живлення низки пристроїв.