Yhden aineen muuttumista toiseksi uusien yhdisteiden muodostuessa kutsutaan kemialliseksi reaktioksi. Tämän prosessin ymmärtäminen on erittäin tärkeää ihmisten elämän kann alta, koska sen avulla voit saada v altavan määrän tarpeellisia ja hyödyllisiä aineita, joita löytyy luonnosta pieninä määrinä tai joita ei ole ollenkaan luonnollisessa muodossaan. Tärkeimpiä lajikkeita ovat redox-reaktiot (lyhennetty OVR tai redox). Niille on ominaista atomien tai ionien hapetusasteen muutos.
Reaktion aikana tapahtuvat prosessit
Reaktion aikana tapahtuu kaksi prosessia - hapetus ja pelkistys. Ensimmäiselle niistä on tunnusomaista elektronien luovuttaminen pelkistysaineilla (luovuttajilla) niiden hapetustilan nousulla, toiselle elektronien lisääminen hapettimilla (akseptorilla) niiden hapetustilan laskulla. Yleisimmät pelkistimet ovat metallit ja ei-metalliyhdisteet alimmassa hapetusasteessa (rikkivety, ammoniakki). tyypillinenhapettavia aineita ovat halogeenit, typpi, happi sekä aineet, jotka sisältävät alkuaineen korkeimmassa hapetusasteessa (typpi- tai rikkihappo). Atomit, ionit, molekyylit voivat luovuttaa tai saada elektroneja.
Ennen vuotta 1777 oletettiin, että hapettuminen johti näkymättömän palavan aineen, nimeltä flogistonin, häviämiseen. A. Lavoisierin luoma palamisteoria kuitenkin vakuutti tutkijat, että hapettumista tapahtuu vuorovaikutuksessa hapen kanssa ja pelkistyminen tapahtuu vedyn vaikutuksesta. Vasta hetken kuluttua kävi selväksi, että pelkkä vety ja happi eivät voi vaikuttaa redox-reaktioihin.
Hapetus
Hapetusprosessi voi tapahtua neste- ja kaasufaasissa sekä kiinteiden aineiden pinnalla. Erityinen rooli on sähkökemiallisella hapetuksella, joka tapahtuu liuoksissa tai sulatuksissa anodilla (virtalähteen positiiviseen napaan kytketty elektrodi). Esimerkiksi kun fluorideja sulatetaan elektrolyysillä (aineen hajoaminen sen alkuaineiksi elektrodeilla), saadaan vahvin epäorgaaninen hapetin, fluori.
Toinen klassinen esimerkki hapettumisesta on palaminen ilmassa ja puhtaassa hapessa. Erilaiset aineet pystyvät tähän prosessiin: metallit ja ei-metallit, orgaaniset ja epäorgaaniset yhdisteet. Käytännössä tärkeää on polttoaineen polttaminen, joka on pääasiassa monimutkainen seos hiilivetyjä, joissa on pieniä määriä happea, rikkiä, typpeä ja muita alkuaineita.
Klassinen hapetin –happea
Yksinkertaista ainetta tai kemiallista yhdistettä, jossa atomit kiinnittävät elektroneja, kutsutaan hapettavaksi aineeksi. Klassinen esimerkki tällaisesta aineesta on happi, joka muuttuu oksideiksi reaktion jälkeen. Mutta myös hapettava aine redox-reaktioissa on otsoni, joka pelkistyy orgaanisiksi aineiksi (esim. ketoneiksi ja aldehydeiksi), peroksideiksi, hypokloriiteiksi, kloraateiksi, typpi- ja rikkihapoiksi, mangaanioksidiksi ja permanganaatiksi. On helppo nähdä, että kaikki nämä aineet sisältävät happea.
Muut yleiset hapettimet
Redox-reaktio ei kuitenkaan ole vain happea sisältävä prosessi. Sen sijaan halogeenit, kromi ja jopa metallikationit ja vetyioni (jos se muuttuu yksinkertaiseksi aineeksi reaktion seurauksena) voivat toimia hapettimena.
Hyväksyttyjen elektronien määrä riippuu suurelta osin hapettimen pitoisuudesta sekä sen kanssa vuorovaikutuksessa olevan metallin aktiivisuudesta. Esimerkiksi väkevän typpihapon reaktiossa metallin (sinkin) kanssa voidaan hyväksyä 3 elektronia ja samojen aineiden vuorovaikutuksessa, mikäli happo on hyvin laimeassa muodossa, jo 8 elektronia.
voimakkaimmat hapettimet
Kaikki hapettavat aineet eroavat ominaisuuksiltaan. Vetyionilla on siis alhainen hapetuskyky, kun taas atomikloori, joka muodostuu aqua regiassa (typpi- ja suolahapon seos suhteessa 1:3), voi hapettaa jopa kultaa ja platinaa.
Konsentroidulla seleenihapolla on samanlaiset ominaisuudet. Tämä tekee siitä ainutlaatuisen muiden orgaanisten happojen joukossa. Laimennettuna se ei pysty olemaan vuorovaikutuksessa kullan kanssa, mutta se on silti vahvempaa kuin rikkihappo ja voi jopa hapettaa muita happoja, kuten kloorivetyhappoa.
Toinen esimerkki voimakkaasta hapettimesta on kaliumpermanganaatti. Se toimii menestyksekkäästi vuorovaikutuksessa orgaanisten yhdisteiden kanssa ja pystyy katkaisemaan vahvoja hiilisidoksia. Kuparioksidilla, cesiumotsonidilla, cesium-superoksidilla sekä ksenondifluoridilla, tetrafluoridilla ja ksenonheksafluoridilla on myös korkea aktiivisuus. Niiden hapetuskyky johtuu suuresta elektrodipotentiaalista, kun ne reagoivat laimeassa vesiliuoksessa.
On kuitenkin aineita, joissa tämä potentiaali on vieläkin suurempi. Epäorgaanisista molekyyleistä fluori on vahvin hapetin, mutta se ei pysty vaikuttamaan inerttiin kaasun ksenoniin ilman lisälämpöä ja -painetta. Mutta platinaheksafluoridi, difluoridioksidi, kryptondifluoridi, hopeadifluoridi, kaksiarvoiset hopeasuolat ja jotkut muut aineet selviävät tästä menestyksekkäästi. Ainutlaatuisen redox-reaktioidensa vuoksi ne luokitellaan erittäin vahvoiksi hapettimiksi.
Toipuminen
Alunperin termi "t alteenotto" oli synonyymi hapettumiselle, eli aineen hapenpuutteelle. Ajan myötä sana sai kuitenkin uuden merkityksen, se tarkoitti metallien uuttamista niitä sisältävistä yhdisteistä sekä kaikkia kemiallisia muutoksia, joissaaineen elektronegatiivinen osa korvataan positiivisesti varautuneella alkuaineella, kuten vedyllä.
Prosessin monimutkaisuus riippuu suurelta osin yhdisteen alkuaineiden kemiallisesta affiniteetista. Mitä heikompi se on, sitä helpompi reaktio suoritetaan. Tyypillisesti endotermisten yhdisteiden affiniteetti on heikompi (lämpö imeytyy niiden muodostumisen aikana). Niiden toipuminen on melko yksinkertaista. Näyttävä esimerkki tästä ovat räjähteet.
Eksotermisiä yhdisteitä (jota muodostuu lämmön vapautuessa) reaktiossa on käytettävä voimakasta energialähdettä, kuten sähkövirtaa.
Vakiopelkistimet
Vanhin ja yleisin pelkistysaine on hiili. Se sekoittuu malmioksidien kanssa, kuumennettaessa seoksesta vapautuu happea, joka yhdistyy hiilen kanssa. Tuloksena on jauhe, rakeet tai metalliseos.
Toinen yleinen pelkistysaine on vety. Sitä voidaan käyttää myös metallien louhintaan. Tätä varten oksidit tukkeutuvat putkeen, jonka läpi vetyvirta johdetaan. Periaatteessa tätä menetelmää sovelletaan kupariin, lyijyyn, tinaan, nikkeliin tai kobolttiin. Voit levittää sitä raudalle, mutta pelkistys on epätäydellistä ja vettä muodostuu. Sama ongelma havaitaan yritettäessä käsitellä sinkkioksideja vedyllä, ja sitä pahentaa entisestään metallin haihtuvuus. Vety ei pelkistä kaliumia ja joitain muita alkuaineita ollenkaan.
Orgaanisen kemian reaktioiden piirteet
Käynnissäpelkistävä hiukkanen ottaa vastaan elektroneja ja alentaa siten yhden atominsa hapetuslukua. Reaktion olemus on kuitenkin kätevää määrittää muuttamalla hapetusastetta epäorgaanisten yhdisteiden kanssa, kun taas orgaanisessa kemiassa on vaikea laskea hapetuslukua, sillä on usein murto-arvo.
Orgaanisia aineita sisältävien redox-reaktioiden navigoimiseksi on muistettava seuraava sääntö: pelkistyminen tapahtuu, kun yhdiste luovuttaa happiatomeja ja hankkii vetyatomeja, ja päinvastoin, hapettumiselle on ominaista hapen lisääminen.
Pelkistysprosessilla on suuri käytännön merkitys orgaaniselle kemialle. Hän on laboratorio- tai teollisuustarkoituksiin käytettävän katalyyttisen hydrauksen taustalla, erityisesti aineiden ja järjestelmien puhdistamisessa hiilivety- ja happiepäpuhtauksista.
Reaktio voi edetä sekä alhaisissa lämpötiloissa ja paineissa (jopa 100 celsiusastetta ja 1-4 ilmakehää, vastaavasti) että korkeissa lämpötiloissa (jopa 400 astetta ja useita satoja ilmakehyksiä). Orgaanisten aineiden tuotanto vaatii monimutkaisia laitteita oikeiden olosuhteiden luomiseksi.
Katalyytteinä käytetään aktiivisia platinaryhmän metalleja tai ei-jaloa nikkeliä, kuparia, molybdeeniä ja kobolttia. Jälkimmäinen vaihtoehto on taloudellisempi. Restauraatio tapahtuu substraatin ja vedyn samanaikaisen sorption ansiosta, mikä helpottaa niiden välistä reaktiota.
Pilennusreaktiot jatkuvatja ihmiskehon sisällä. Joissakin tapauksissa ne voivat olla hyödyllisiä ja jopa elintärkeitä, toisissa ne voivat johtaa vakaviin kielteisiin seurauksiin. Esimerkiksi typpeä sisältävät yhdisteet muuttuvat elimistössä primäärisiksi amiineiksi, jotka muiden hyödyllisten toimintojen ohella muodostavat proteiiniaineita, jotka ovat kudosten rakennusmateriaalia. Samaan aikaan aniliinivärjätyt ruoat tuottavat myrkyllisiä yhdisteitä.
Reaktiotyypit
Millaisia redox-reaktioita, käy selväksi, jos tarkastellaan hapetustilojen muutosten esiintymistä. Mutta tämän tyyppisessä kemiallisessa transformaatiossa on vaihtelua.
Jos vuorovaikutukseen osallistuu eri aineiden molekyylejä, joista toinen sisältää hapettavan atomin ja toinen pelkistimen, reaktiota pidetään molekyylienvälisenä. Tässä tapauksessa redox-reaktioyhtälö voi olla seuraava:
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
Yhtälö osoittaa, että raudan ja vedyn hapetustilat muuttuvat, kun ne ovat osa eri aineita.
Mutta on myös molekyylin sisäisiä redox-reaktioita, joissa kemiallisen yhdisteen yksi atomi hapettuu ja toinen pelkistyy ja saadaan uusia aineita:
2H2O=2H2 + O2.
Monimutkaisempi prosessi tapahtuu, kun sama alkuaine toimii elektronin luovuttajana ja vastaanottajana ja muodostaa useita uusia yhdisteitä, jotka sisältyvät eri hapetustiloihin. Tällaista prosessia kutsutaandismutaatio tai epäsuhtaisuus. Esimerkki tästä on seuraava muunnos:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
Yllä olevasta redox-reaktion yhtälöstä voidaan nähdä, että Bertolet-suola, jossa kloori on hapetustilassa +5, hajoaa kahdeksi komponentiksi - kaliumkloridiksi, jonka hapetusaste on kloori -1 ja perkloraatti, jonka hapetusluku on +7. Osoittautuu, että sama alkuaine lisäsi ja alensi hapetusastettaan samanaikaisesti.
Dismutaatioprosessin käänteinen on yhteissuhde- tai uudelleensuhteutumisen reaktio. Siinä kaksi yhdistettä, jotka sisältävät saman alkuaineen eri hapetusasteissa, reagoivat keskenään muodostaen uuden aineen, jolla on yksi hapetusluku:
SO2 +2H2S=3S + 2H2O.
Kuten yllä olevista esimerkeistä näkyy, joissakin yhtälöissä ainetta edeltää numerot. Ne osoittavat prosessiin osallistuvien molekyylien lukumäärän, ja niitä kutsutaan redox-reaktioiden stökiömetrisiksi kertoimilla. Jotta yhtälö olisi oikea, sinun on osattava järjestää ne.
E-saldomenetelmä
Redox-reaktioiden tasapaino säilyy aina. Tämä tarkoittaa, että hapetin ottaa vastaan täsmälleen niin monta elektronia kuin pelkistävä aine antoi pois. Muodostaaksesi yhtälön redox-reaktiolle oikein, sinun on noudatettava tätä algoritmia:
- Määritä alkuaineiden hapetustilat ennen ja jälkeen reaktion. Esimerkiksi sisääntyppihapon ja fosforin välinen reaktio veden läsnä ollessa tuottaa fosforihappoa ja typpioksidia: HNO3 + P + H2O=H3PO4 + EI. Kaikissa yhdisteissä vedyn hapetusaste on +1 ja hapen -2. Typen hapetusluku on ennen reaktion alkamista +5 ja sen jälkeen +2, fosforin - 0 ja +5.
- Merkitse alkuaineet, joiden hapetusluku on muuttunut (typpi ja fosfori).
- Laadi elektroniset yhtälöt: N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- Tasaa vastaanotettujen elektronien määrä valitsemalla pienin yhteinen kerrannainen ja laskemalla kerroin (luvut 3 ja 5 ovat luvun 15 jakajia, typen kertoja on 5 ja fosforin 3 kertoja): 5N +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- Lisää tuloksena saadut puolireaktiot vasemman ja oikean osan mukaan: 5N+5 + 3P0=5N + 2 - 15.=3Р+5. Jos kaikki tehdään oikein tässä vaiheessa, elektronit kutistuvat.
- Kirjoita yhtälö kokonaan uudelleen, laskemalla kertoimet redox-reaktion elektronisen tasapainon mukaan: 5HNO3 + 3P + H2 O=3H 3PO4 + 5NO.
- Tarkista, pysyykö alkuaineiden määrä ennen reaktiota ja sen jälkeen samana kaikkialla ja lisää tarvittaessa kertoimia muiden aineiden eteen (tässä esimerkissä vedyn ja hapen määrät eivät tasaantuneet, jotta Jotta reaktioyhtälö näyttää oike alta, sinun on lisättävä kerroin eteenvesi): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5NO.
Tällaisen yksinkertaisen menetelmän avulla voit sijoittaa kertoimet oikein ja välttää sekaannukset.
Esimerkkejä reaktioista
Havainnollistava esimerkki redox-reaktiosta on mangaanin vuorovaikutus väkevän rikkihapon kanssa, joka etenee seuraavasti:
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
Pedoksireaktio etenee mangaanin ja rikin hapetusasteiden muuttuessa. Ennen prosessin aloittamista mangaani oli sitoutumattomassa tilassa ja sen hapetustila oli nolla. Mutta kun se oli vuorovaikutuksessa rikin kanssa, joka on osa happoa, se nosti hapetusasteen +2:een, toimien siten elektronin luovuttajana. Rikki päinvastoin toimi hyväksyjänä alentaen hapetusastetta +6:sta +4:ään.
On kuitenkin myös reaktioita, joissa mangaani toimii elektronien vastaanottajana. Esimerkiksi tämä on sen oksidin vuorovaikutus suolahapon kanssa, joka etenee reaktion mukaisesti:
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
Pedoksireaktio etenee tässä tapauksessa mangaanin hapetustilan laskulla arvosta +4 arvoon +2 ja kloorin hapetusasteen nousulla arvosta -1 arvoon 0.
Aiemmin rikkioksidin hapetus typen oksidilla veden läsnä ollessa, joka tuotti 75 % rikkihappoa, oli erittäin käytännönläheistä:
SO2 + NO2 + H2O=NO + H2So4.
Pedoksireaktio suoritettiin ennen erityistorneissa, ja lopputuotetta kutsuttiin torniksi. Nyt tämä menetelmä ei ole kaukana ainoa hapon tuotannossa, koska on olemassa muita nykyaikaisia menetelmiä, esimerkiksi kosketus kiinteitä katalyyttejä käyttäen. Mutta hapon saamisella redox-reaktiomenetelmällä ei ole vain teollista, vaan myös historiallista merkitystä, koska juuri tällainen prosessi tapahtui spontaanisti Lontoon ilmassa joulukuussa 1952.
Antisykloni toi sitten epätavallisen kylmän sään, ja kaupunkilaiset alkoivat käyttää paljon hiiltä kotinsa lämmittämiseen. Koska tämä luonnonvara oli sodan jälkeen huonolaatuista, ilmaan keskittyi suuri määrä rikkidioksidia, joka reagoi ilmakehän kosteuden ja typen oksidin kanssa. Tämän ilmiön seurauksena imeväisten, vanhusten ja hengitystiesairauksista kärsivien kuolleisuus on lisääntynyt. Tapahtuma sai nimen Suuri Sumu.
Siksi redox-reaktioilla on suuri käytännön merkitys. Niiden mekanismin ymmärtäminen auttaa ymmärtämään paremmin luonnollisia prosesseja ja saavuttamaan uusia aineita laboratoriossa.
