Utlenienie i redukcja - przeciwstawne procesy chemiczne
W 7 klasie już poznaliście reakcje utlenienia. Omawialiśmy jako reakcje substancji z tlenem, tworzących tlenki. Dlatego można powiedzieć, że utlenienie — to proces przyłączenia przez substancję atomów tlenu (rys. 15.1, a).
Wraz z tlenem w przyrodzie zachodzi proces odwrotny, któremu towarzyszy oddawanie przez substancję atomów tlenu. Ten proces nazywamy redukcją. Na przykładzie reakcji redukcji miedzi (rys. 15.1, b) staje się zrozumiała nazwa tego procesu: ponieważ z czarnego tlenku miedzi(II) otrzymaliśmy połyskujący metal, to logicznym było nazwać ten proces redukcją metalu.
Zwróćcie uwagę: miedź oddaje atomy tlenu i się redukuje, ale jednocześnie atomy wodoru łączą się z atomami tlenu i utleniają się (rys. 15.1, b).
Tak więc, procesy utlenienia i redukcji - to wzajemnie powiązane przeciwstawne procesy: redukcji zawsze towarzyszy utlenienie, i na odwrót. Dlatego wykorzystuje się termin reakcje redoks (redukcji i utlenienia).
Elektronowy charakter reakcji utlenienia i redukcji
Z rozwojem chemii uczeni odkryli elektronowy charakter procesów utlenienia i redukcji. Jednym z pierwszych elektronową teorię procesów utlenienia i redukcji zaproponował nasz rodak L. W. Pysarżewskyj. Zestawił on procesy utlenienia i redukcji ze zmianą stopni utlenienia pierwiastków w rezultacie przejścia elektronów od atomów jednych pierwiastków do innych.
Reakcje, w których chociaż jeden pierwiastek chemiczny zmienia swój stopień utlenienia, nazywamy reakcjami utlenienia i redukcji.
Rozpatrzmy znowu reakcję utlenienia miedzi, ale tym razem zwrócimy uwagę na stopnie utlenienia pierwiastków reagentów i produktów reakcji:
Widzimy, że w wyniku reakcji miedź podwyższa swój stopień utlenienia od 0 do +2. W tym celu atomy miedzi mają oddać po 2 elektrony. Proces ten można opisać schematem:
Tak więc, z punktu widzenia teorii reakcji utlenienia i redukcji:
Utlenienie - to proces oddania elektronów atomom (jonom) z podwyższeniem stopnia utlenienia.
W tej reakcji tlen obniża swój stopień utlenienia od 0 do -2. W tym celu atomy mają przyjąć po dwa elektrony:
W ten sposób atomy tlenu dopełniają swoją powłokę elektronową, dlatego z punku widzenia teorii reakcji utlenienia i redukcji:
Redukcja - to proces przyłączenia elektronów do atomów (jonów) z obniżeniem stopnia utlenienia.
Każdy atom tlenu przyłącza po dwa elektrony od atomów miedzi i redukuje się
Każdy atom miedzi oddaje po dwa elektrony atomom tlenu i utlenia się
Pierwiastek, który oddaje elektrony i tym samym podwyższa swój stopień utlenienia, nazywamy reduktorem. Substancję, która zawiera pier-wiastek-reduktor, również nazywamy reduktorem. Ponieważ reduktor podczas reakcji oddaje elektrony, to sam przy tym się utlenia.
Reduktor - to cząsteczka (molekuła, atom lub jon), która oddaje elektrony.
W reakcji miedzi z tlenem atomy miedzi się utleniają, ponieważ oddają elektrony, ale w tej reakcji są one reduktorami, ponieważ oddają elektrony i redukują atomy tlenu.
Pierwiastek, który przyłącza elektrony, jak również substancję, w którego składzie się znajduje, nazywamy utleniaczem. Ponieważ utleniacz podczas reakcji przyłącza elektrony, to sam przy tym się redukuje.
Utleniacz - to cząsteczka (molekuła, atom lub jon), która przyłącza elektrony.
W reakcji, którą rozpatrzyliśmy, tlen ulega redukcji, ponieważ przyłącza elektrony, ale jednocześnie jest utleniaczem i utlenia miedź.
Ogólnie wszystkie definicje, które rozpatrzyliśmy w tym podrozdziale, można przedstawić przy pomocy schematu:
Ukraiński fizykochemik, akademik AN ZSRR i AN USRR. Po ukończeniu gimnazjum przygotowywał się do zawodu lekarza, ale po zapozanniu się z podręcznikiem Mendeleje-wa „Podstawy chemii" zdecydował poświęcić swoje życie tej nauce. Po zakończeniu Uniwersytetu Odeskiego, studiował w Lipsku w laboratorium Ostwalda, w którym zrobił doktorat. Pracował w Tartu, Politechnice Kijowskiej, Katerynosławskim Instytucie Górniczym (obecnie Narodowym Uniwersytecie Górniczym w mieście Dnipro). W czasie wojny domowej skonstruował urządzenie przeciwgazowe, które uratowało życie wielu żołnierzom. Opracował teorię reakcji utleniania i redukcji, położył podwaliny pod teorię katalizy itd. Był założycielem i pierwszym dyrektorem Instytutu Chemii Fizycznej NAN Ukrainy, który został nazwany jego imieniem.
Rozpatrzmy reakcję kwasu solnego z zasadą:
Lekko można zauważyć, że w tej reakcji żaden pierwiastek chemiczny nie zmienia swojego stopnia utlenienia, dlatego reakcja ta nie jest reakcją utlenienia i redukcji, podobnie jak dowolna reakcja wymiany jonowej. Zasadnicza różnica pomiędzy reakcją utlenienia i redukcji i reakcji wymiany jonowej polega na tym, że podczas reakcji utlenienia i redukcją odbywa się przejście elektronów od reduktora do utleniacza.
W pobliżu Australii i na wyspach Indonezji mieszkają nogale brunatne (alectura lathami). W przeciwieństwie do większości ptaków nie wysiadują one swoich jaj, ale zakopują je od kupą próchnicy, liści i gnoju. Jaja rozwijają się dzięki ciepłu, które jest wydzielane w wyniku reakcji gnicia roślin. Przy pomocy delikatnej skóry w środku dzioba samiec śledzi temperaturę w środku takiego „inkubatora" i w zależności od niej rozkopuje jaja albo zasypuje piaskiem.
Znaczenie reakcji utleniania i redukcji
Reakcje utleniania i redukcji mają wielkie znaczenie w przyrodzie i praktycznej działalności człowieka. Są one podstawą wielu procesów życiowych organizmów żywych. W przemyśle reakcje utlenienia i redukcji -jedna z głównych metod otrzymywania nowych substancji, szczególnie metali, jak również w produkcji kwasów, leków, barwników itd.
Znaczenie reakcji utleniania i redukcji w przyrodzie^
Fotosynteza - to reakcja utlenienia i redukcji, która podtrzymuje życie na planecie. Pod wpływem światła w zielonych roślinach odbywa się proces, który można opisać przy pomocy równania sumarycznego:
6C02 + 6H20 = C6H1206 + 602t. Utleniaczem tutaj jest dwutlenek węgla, a reduktorem — atomy tlenu w składzie wody.
Przemiana materii i energii w komórkach odbywa się w procesie wielokrotnych reakcji utleniania i redukcji. Procesy oddychania, trawienia - to wszystko łańcuchy reakcji redoksu. Przetwarzanie energii, która uwalnia się podczas reakcji redoksu, na energię wiązań chemicznych molekuł ATP zachodzi w mitochondriach.
Dowolna reakcja spalania jest reakcją utleniania i redukcji. Z dawien dawna spalanie jest źródłem energii dla człowieka. Popularnym rodzajem paliwa jest drewno, jego spalanie można opisać przy pomocy równania, odwrotnego do procesu fotosyntezy: C6H1206 + 602 = 6C02 + 6H20.
Gnicie jest również procesem utleniania i redukcji przy pomocy bakterii. W wyniku gnicia wydziela się energia, potrzebna do życia tych bakterii. Miliony lat temu, dzięki tym procesom, utworzyły się bogactwa naturalne.
Fermentacja - to jeszcze jeden przykład naturalnych reakcji utleniania i redukcji. Proces ten odbywa się przy udziale grzybów, które w ten sposób uzyskują potrzebną energię. Człowiek wykorzystuje fermentację do przygotowania kiszonych warzyw, ciasta drożdżowego, produktów z mleka kwaśnego, sera, piwa itd.
W organizmach żywych mogą zachodzić również nieporządane procesy utlenienia, których następstwem mogą być mutacje DNA i choroby, szczególnie rak. W celu zapobiegania temu istnieją substancje antyutleniacze, które posiadają właściwości redukcyjne. Oddziaływują one na nadmiar utleniaczy w organizmie i „neutralizują” je. Najbardziej powszechnym antyutleniaczem jest witamina C.
Korozja — jest wieloetapowym procesem redoksu, który można opisać za pomocą równania 4Fe + 302 +
+ 6H20 = 4Fe(OH)3. Korozję można nazwać procesem, który jest przeciwstawny otrzymywaniu metali w fabrykach. Proces ten doprowadza do uszkodzenia konstrukcji metalowych.
Znaczenie reakcji utleniania i redukcji w technice
Otrzymywanie energii z dowolnego źródła paliwa bazuje na reakcjach utleniania i redukcji. Na przykład w silnikach spalania wewnętrznego zachodzi reakcja spalania benzyny. Energia, która powstaje w wyniku reakcji, przetwarza się na energię mechaniczną w celu poruszania samochodu.
W zwykłych bateriach również zachodzi reakcja redoksu, z której energia przetwarza się w energię elektryczną. Takie źródła prądu elektrycznego nazywamy pierwiastkami galwanicznymi. W baterii zachodzi reakcja, którą schematycznie można opisać przy pomocy równania: Zn + MnO,, = ZnO + MnO. Akumulatory w samochodach, laptopach i telefonach komórkowych - to również pierwiastki galwaniczne, w których zachodzi reakcja utleniania i redukcji.
W elementach paliwowych energia elektryczna wytwarza się w następstwie reakcji redoksu spalania. Przyszłościowym jest taki element paliwowy, w którym zachodzi spalanie wodoru, ponieważ jedynym produktem takiej reakcji jest woda. Samochody z takimi elementami paliwowymi będą czyste ekologicznie.
Reakcje utleniania i redukcji są podstawą metody galwa-noplastyki — pokrycia powierzchni cienką warstwą metalu. Na wyrób o dowolnej strukturze i z dowolnego materiału (drewna, gipsu, plastiku) nanosi się warstwę metalu (złota, srebra, chromu). Tę metodą wykonuje się pozłacanie wyrobów z drewna, chromuje się elementy samochodów, sprzętu AGD itp.
Wszystkie procesy metalurgiczne - otrzymywanie metali - nie mogą zachodzić bez reakcji redoksu. Metale (żelazo, miedź, ołów itp.) otrzymuje się z rudy za pomocą koksu (specjalnie przetworzonego węgla). Glin z rudy otrzymuje się za pomocą prądu elektrycznego. W produkcji metali czarnych Ukraina zajmuje jedno z czołowych miejsc na świecie.
Bez reakcji redoksu nie może zachodzić analiza niektórych substancji. Wykorzystując różne reagenty, określa się koncentrację tlenu, jonów żelaza Fe2+ i Fe3+ albo chromu Cr3+ w mieszankach. Również za pomocą reakcji utleniania i redukcji można określić zawartość witaminy C (kwasu askorbinowego) w owocach, sokach itp.
Reakcja azotu z wodorem N2 + 3H2 = 2NH3 jest również reakcją utlenienia i redukcji. Na tej reakcji bazuje produkcja nawozów azotowych i substancji wybuchowych. Ten tani sposób syntezy amoniaku pozwolił podwyższyć urodzajność roślin uprawnych. Na Ukrainie amoniak syntezuje się w wielkich ilościach w zakładach „Riwneazot”, „Czerkaski Azot” itp.
Myśl główna
Utlenianie i redukcja - procesy przeciwstawne powiązane ze sobą i polegają na wymianie elektronowej.
Pytania kontrolne
175. Jakie reakcje nazywamy reakcjami utleniania i redukcji? Podajcie przykłady reakcji utleniania i redukcji w przyrodzie i życiu codziennym.
176. Podajcie definicję pojęcia „utleniacz", „reduktor", „utlenienie", „redukcja" z punktu widzenia elektronowej teorii redoks.
177. Czy można dowolny proces utlenienia scharaktryzować jak spalanie? A czy można dowolny proces spalania nazwać procesem utlenienia?
Zadania utrwalające wiedzę
178. Określcie, które z wymienionych reakcji są reakcjami utlenia i redukcji. W reakcjach redoks zaznaczcie strzałką kierunek przejścia elektronów oraz ich ilość, jak na schemacie na s. 90.
179. W każdym równaniu reakcji określcie pierwiastki, które są reduktorami i utleniaczami:
180. Dla każdego procesu proszę zaznaczyć ilość oddanych albo przyłączonych elektronów, na przykład:
Wskażcie, czy jest to proces utle
nienia, czy redukcji.
181. Scharakteryzujcie znaczenie reakcji redoks w życiu codziennym, technice, przyrodzie.
182. Wyroby ze srebra przechowywane w ciągu długiego czasu ciemnieją w następstwie utworzenia na powierzchni nierozpuszczalnego siarczku srebra(l) o czarnym kolorze. Przywrócić blask srebra można za pomocą gotowania wyrobu w roztworze sody z folią aluminiową. Jaka substancja w tym przypadku będzie utleniaczem, a jaka reduktorem? Ułóżcie równania tej reakcji.
183. Wolne rodniki w organizmie (cząsteczki z elektronami niesparowanymi) sprzyjają umieraniu komórek albo ich przekształceniu w komórki rakowe.
Neutralizować działanie wolnych rodników mogą niektóre substancje, które nazywamy antyutleniaczami, na przykład kwas askorbinowy. Przypuśćcie, jakie właściwości (utleniaczy czy reduktorów) charakteryzują wolne rodniki i antyutleniacze.
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz