REACȚII REDOX
Reacții în care are loc o modificare a stărilor de oxidare ale atomilor elementelor care alcătuiesc compușii care reacţionează, numit redox. Sub starea de oxidare (asa de.) a intelege sarcina unui element dintr-un compus, calculată din ipoteză, că compusul este alcătuit din ioni.
Starea de oxidare a unui element dintr-o substanță simplă, de exemplu, în Zn, Ca, H2, Br2, S, O2, este zero.
Determinarea stării de oxidare a unui element dintr-un compus se realizează folosind următoarele prevederi:
1. Starea de oxidare a oxigenului din compuși este de obicei -2. Excepție fac peroxizii H2+1O2-1, Na2+1O2-1 și fluorura de oxigen O+2F2.
2. Starea de oxidare a hidrogenului în majoritatea compușilor este +1, cu excepția hidrurilor asemănătoare sărurilor, de exemplu, Na +1 H -1.
3. Metalele din grupa IA au o stare de oxidare constantă ( Metale alcaline) (+1); metale din grupa IIA (beriliu, magneziu și metale alcalino-pământoase (+2)); fluor (–1).
4. Suma algebrică a stărilor de oxidare ale elementelor dintr-o moleculă neutră este zero, într-un ion complex - sarcina ionului.
Ca exemplu, calculăm starea de oxidare a manganului în compusul K 2 MnO 4 și în anionul (MnO 4) − . Mai întâi, să punem starea de oxidare peste acele elemente pentru care este cunoscută. În exemplul nostru, potasiul (+1) și oxigenul (-2) au o stare de oxidare constantă. Starea de oxidare a manganului se notează prin X. În continuare, compunem ecuație algebrică. Pentru a face acest lucru, înmulțim indicele pentru fiecare element cu starea de oxidare a acestui element, adunăm totul și echivalăm partea dreaptă cu zero:
K2 +1 Mn X O 4 –2 2∙(+1)+ X + 4 (–2) = 0 X = + 6
Astfel, starea de oxidare a cromului în K 2 MnO 4 este +6.
Pentru a determina starea de oxidare a manganului în anion (MnO 4) ‾ facem exact la fel, doar echivalăm partea dreaptă cu sarcina ionului, în cazul nostru -1
(Mn x O 4 −2) ‾ X + 4 (–2) = –1 X = + 7.
În reacțiile redox, electronii sunt transferați de la un atom, moleculă sau ion la altul. Oxidare – procesul de donare de electroni, însoţită de o creştere a stării de oxidare a elementului. recuperare - procesul de adăugare a electronilor, însoțit de o scădere a stării de oxidare a elementului. Oxidarea și reducerea sunt procese interdependente care au loc simultan. Oxidanți numit substanțe (atomi, molecule sau ioni) care câștigă electroni în timpul unei reacții, agenţi reducători – substanțe care donează electroni.
Ca 0 + Cl 2 0 \u003d Ca +2 Cl 2 -1
agent reducător Ca 0 –2ē → Ca +2 oxidare
agent oxidant Cl 2 0 +2ē → 2Cl - reducere.
Oxidanții pot fi:
1. Substante simple - nemetale: halogeni F 2, Cl 2, Br 2, I 2, oxigen O 2, sulf S.
2. Ioni metalici încărcați pozitiv Fe 3+, Au 3+, Hg 2+, Cu 2+, Ag +.
3. Ioni complexe și molecule care conțin atomi de metal în cea mai mare stare de oxidare KMn +7 O 4, K 2 Cr 2 +6 O 7, NaBi +5 O 3 etc.
4. Atomi de nemetale în stare de oxidare pozitivă HN +5 O 3, H 2 S +4 O 4 concentrat, HCl +1 O, KCl +5 O 3, NaBr +1 O etc.).
Agenții reducători tipici sunt:
1. Substante simple – metale. Metalele au 1, 2, 3 electroni la nivelul exterior, pe care îi donează cu ușurință M 0 −nē → M n +,
unde n este numărul de electroni donați, egal cu 1, 2, 3, M este un metal (Na, Ca, Mg, Al etc.)
2. Substante simple - nemetale (carbon, hidrogen, siliciu, bor).
3. Ioni încărcați negativ ai nemetalelor (S 2-, I -, Br -, Cl - etc.).
4. Ioni metalici încărcați pozitiv în cea mai scăzută stare de oxidare (Sn 2+, Fe 2+, Cr 2+, Mn 2+, Cu + etc.).
Compușii care conțin elemente în starea de oxidare maximă și minimă pot fi, respectiv, numai agenți oxidanți (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7, HNO 3, H 2 SO 4, PbO 2), fie numai agenți reducători (KI, Na). 2S, NH3). Dacă substanța conține un element într-o stare intermediară de oxidare, atunci, în funcție de condițiile de reacție, poate fi atât un agent oxidant, cât și un agent reducător. De exemplu, nitritul de potasiu KNO 2, care conține azot în starea de oxidare +3, peroxidul de hidrogen H 2 O 2, care conține oxigen în starea de oxidare -1, prezintă proprietăți reducătoare în prezența agenților oxidanți puternici și atunci când interacționează cu reductori activi. agenți, sunt agenți oxidanți.
Un agent oxidant este o substanță care provoacă oxidarea unei alte substanțe. Prin provocarea oxidării unei substanțe, agentul de oxidare în sine este redus. Cei mai comuni agenți oxidanți sunt clasificați în trei tipuri, enumerate mai jos.
elemente nemetalice. Astfel de agenți de oxidare câștigă electroni, formând cationi. Clorul este un exemplu de acest tip de agent oxidant. Acesta oxidează, de exemplu, ionii de bromură. Ecuația ionică reacția redox completă care are loc în acest caz are forma
Astfel, bromul este oxidat aici:
Când bromul este oxidat, clorul însuși este redus:
Oxidanții de acest tip includ și oxigenul și bromul. Ca rezultat, ele înșiși sunt reduse, iar semireacțiile de reducere corespunzătoare sunt descrise de următoarele ecuații:
Cationii. Ionii metalici sunt de obicei printre cationii care acționează ca agenți de oxidare. Ei atașează electronii lor, formând atomi sau molecule neutre. Iată două exemple:
Test pentru agenți oxidanți
Agenții oxidanți devin albastru hârtia indicatoare umedă impregnată cu amidon și iodură de calciu. Acest lucru se întâmplă ca urmare a faptului că agentul de oxidare oxidează ionii de iodură, transformându-i în iod:
Iodul liber reacționează cu amidonul și astfel rezultă o culoare albastră.
În soluții sau în topituri. Astfel, cel mai puternic agent oxidant anorganic, fluorul elementar, se obține prin electroliza topiturii de fluor.
Agenți oxidanți comuni și produsele lor
Oxidant | Reacții pe jumătate | Produs | Potențial standard, V |
---|---|---|---|
O2 oxigen | Diverse, inclusiv oxizi, H2O și CO2 | +1,229 (în mediu acid) 0,401 (în mediu alcalin) |
|
O 3 ozon | Diverse, inclusiv cetone și aldehide | ||
Peroxizii | Diverse, inclusiv oxizii, oxidează sulfurile metalice la sulfați H2O | ||
Hal 2 halogeni | Hal -; oxidează metalele, P, C, S, Si la halogenuri | F2: +2,87 CI2: +1,36 |
|
ClO - hipocloriți | Cl- | ||
ClO 3 - clorati | Cl- | ||
acid azotic HNO3 | cu metale active, diluate cu metale active, concentrate Cu metale grele, diluat cu metale grele, concentrate |
||
H2S04, conc. acid sulfuric | cu nemetale şi metale grele cu metale active |
SO2; oxidează metalele la sulfați cu eliberare de dioxid de sulf sau sulf Un alt agent oxidant puternic este permanganatul de potasiu. Este capabil să se oxideze materie organicăși chiar rup lanțurile de carbon: C 6 H 5 -CH 2 -CH 3 + [O] → C 6 H 5 COOH + ... C 6 H 6 + [O] → HOOC-(CH 2) 4 -COOH Puterea agentului de oxidare în reacția în diluare soluție apoasă poate fi exprimat prin potențialul standard al electrodului: cu cât potențialul este mai mare, cu atât agentul de oxidare este mai puternic. Oxidanți foarte puterniciÎn mod convențional, „agenți oxidanți foarte puternici” includ substanțe care depășesc fluorul molecular în activitatea de oxidare. Acestea, de exemplu, includ: hexafluorură de platină, dioxidifluorură, difluorură de cripton, oxid de cupru (III), fluorură de argint (II), formă cationică Ag 2+, toate fluorurile de xenon, ozonură de cesiu, superoxid de cesiu, hexafluoronicchelat de potasiu (IV). Substantele enumerate, de exemplu, sunt capabili să oxideze xenonul gaz inert la temperatura camerei, ceea ce fluorul este incapabil să facă (sunt necesare presiune și încălzire), și cu atât mai mult nici unul dintre oxidanții care conțin oxigen. Vezi siScrieți o recenzie la articolul „Oxidant”Un fragment care caracterizează OxidantulNapoleon a urcat cu alaiul său la reduta Shevardinsky și a descălecat de pe cal. Jocul a început.Întorcându-se de la prințul Andrei la Gorki, Pierre, după ce i-a poruncit bereator să pregătească caii și să-l trezească dimineața devreme, a adormit imediat în spatele despărțitorului, în colțul pe care i-l dădu Boris. |
Agenții de oxidare pot fi atomi și molecule neutre; ioni metalici încărcați pozitiv; ioni complexe și molecule care conțin atomi de metal în stare grad înalt oxidare; ioni și molecule complexe care conțin atomi nemetalici în stare de oxidare pozitivă; ioni de hidrogen încărcați pozitiv (în unele acizi, alcalii și apă).
atomi neutri. Agenții oxidanți sunt atomi de elemente care au 7, 6, 5 și 4 electroni la nivel extern. Acestea sunt elemente p ( - ). Dintre aceștia, agenții oxidanți tipici sunt nemetale (sub formă de substanțe simple etc.), care se caracterizează printr-o afinitate electronică ridicată. Afișând proprietăți oxidante, pot accepta electroni (până la 8):
Cei mai puternici agenți oxidanți, atomii de halogen și oxigenul, acceptă unul și, respectiv, doi electroni.
Cei mai slabi agenți oxidanți - atomii celui de-al patrulea subgrup principal - acceptă patru electroni.
În principalele subgrupe IV, V, VI și VII, proprietățile oxidante scad odată cu creșterea razelor atomice. În consecință, dintre atomii neutri, cel mai puternic agent oxidant este fluorul, cel mai slab este plumbul.
Toate elementele enumerate (cu excepția și) pot ceda electroni atunci când interacționează cu agenți oxidanți puternici, adică prezintă proprietăți reducătoare:
Prin urmare, ei mai sunt numiți agenți oxidanți - agenți reducători. La nemetale, proprietățile de oxidare sunt mai pronunțate decât cele reducătoare.
Ioni metalici încărcați pozitiv. Toți ionii metalici încărcați pozitiv prezintă într-o oarecare măsură proprietăți de oxidare.
Dintre aceștia, agenții de oxidare mai puternici sunt ioni încărcați pozitiv într-o stare de oxidare ridicată. Deci, de exemplu, ionii sunt caracterizați prin proprietăți reducătoare, iar ionii sunt oxidanți. Acesta din urmă, în funcție de condițiile de reacție, poate fi redus atât la ioni în cea mai scăzută stare de oxidare, cât și la atomi neutri, de exemplu:
Cu toate acestea, ionii în cea mai scăzută stare de oxidare (sau cationi), având o rezervă de energie mai mare decât atomii neutri, pot prezenta proprietăți de oxidare atunci când interacționează cu agenți reducători tipici, de exemplu:
Ionii de metale nobile ( și ), chiar și în stare scăzută de oxidare, sunt agenți oxidanți puternici
Trebuie remarcat din nou că, cu cât metalul este mai activ ca agent reducător, cu atât este mai puțin activ în stare ionică ca agent de oxidare. În schimb, cu cât un metal este mai puțin activ ca agent reducător, cu atât este mai activ în stare ionică ca agent oxidant. Deci, de exemplu, în timpul tranziției atomilor neutri de potasiu și argint la starea ionică, potențialele de ionizare de ordinul întâi sunt egale cu 415,6 și, respectiv, 724,5 kJ. Prin urmare, ionul de argint are o afinitate mult mai mare pentru electron decât pentru ion, deoarece energia eliberată atunci când un electron este atașat la un ion pozitiv este egală cu energia de ionizare cu semnul opus.
Ioni și molecule complexe care conțin atomi de metal în starea de oxidare cea mai ridicată.
Agenții de oxidare tipici sunt substanțele care conțin atomi de metal în starea celei mai înalte stări de oxidare (de exemplu, ), din care tind să treacă într-o stare cu o stare de oxidare inferioară sau o stare cu stare de oxidare zero.
De exemplu:
Ioni și molecule complexe care conțin atomi nemetalici în stare de oxidare pozitivă. Proprietăți oxidante puternice sunt, de asemenea, prezentate de nemetale într-o stare de înaltă, iar unele într-o stare de oxidare pozitivă scăzută. Acești agenți oxidanți includ oxiacizii, anhidridele și sărurile acestora (de exemplu, concentrate etc.). Din această stare, aceste nemetale tind să se deplaseze în stări cu o stare de oxidare mai scăzută.
Acidul azotic, în funcție de concentrația sa și de activitatea agentului reducător, poate accepta de la 1 la 8 electroni:
Agenții oxidanți puternici sunt și acizii sulfuric, selenic și teluric concentrați. Într-o serie de proprietăți oxidante cresc de la acid sulfuric la acid teluric. În acest caz, în funcție de activitatea agentului reducător și de condițiile de reacție, acestea pot fi reduse la .
De exemplu:
Caracteristicile generale ale compușilor oxigenați ai halogenilor, în funcție de gradul de oxidare, pot fi exprimate după cum urmează:
În serie - - proprietățile oxidante și stabilitatea scad. Pe lângă capacitatea de oxidare, reacțiile de disproporționare sunt caracteristice și pentru:
În serie, proprietățile oxidante ale primilor doi acizi sunt foarte asemănătoare și puternic pronunțate, în timp ce proprietățile oxidante (și acide) ale acidului iod sunt mult mai puțin pronunțate.
Acidul percloric este singurul oxi-acid al clorului cunoscut în forma sa liberă. Când este încălzit peste 92 ° C, suferă o reacție intramoleculară de oxidare-reducere (adesea cu o explozie):
Proprietățile oxidante sunt mult mai slabe decât, iar în soluții diluate, practic nu prezintă proprietăți oxidante.
Proprietățile oxidante sunt mai pronunțate decât.
Acidul ortoiodic prezintă, de asemenea, proprietăți oxidante:
La fel ca oxiacizii halogenilor, sărurile lor prezintă proprietăți redox, care sunt utilizate în principal ca agenți de oxidare.
Compușii oxigenați de clor, brom și iod, care prezintă proprietăți oxidante, sunt reduși, în funcție de condițiile de reacție, la o stare liberă sau la un ion încărcat negativ, de exemplu:
Proprietățile oxidante sunt prezentate și de ionii de hidrogen încărcați pozitiv (în unele acizi, alcalii și apă), care pot fi utilizați pentru a obține conditii de laborator hidrogen. Se obține prin interacțiunea soluțiilor diluate de acizi clorhidric, sulfuric, ortofosforic și acetic cu zinc, fier, magneziu, mangan, aluminiu etc., de exemplu:
Din baze (, KOH,) ionii pozitivi de hidrogen sunt reduși de aluminiu, siliciu, zinc, staniu etc., de exemplu:
Ionii de hidrogen de apă oxidează cel mai mult metale active(subgrupele principale I și II, cu excepția magneziului).
Astfel, dacă atomii sunt în stări de oxidare (de exemplu, azot, arsen, sulf, seleniu și teluriu în compuși), atunci aceștia, fiind în grad negativ oxidările ( și ), pot fi doar agenți reducători, deoarece au 8 electroni la nivelul lor exterior și nu mai pot accepta electroni.
Reacțiile redox, sau pe scurt OVR, sunt unul dintre fundamentele subiectului de chimie, deoarece descriu interacțiunea individuală. elemente chimiceîmpreună. După cum sugerează și numele, aceste reacții implică cel puțin două diferite chimicale dintre care unul acționează ca un agent oxidant, iar celălalt ca un agent reducător. Evident, este foarte important să le poți distinge și defini în diverse reacții chimice.
Cum se identifică un agent oxidant și un agent reducătorPrincipala dificultate în determinarea agentului de oxidare și a agentului reducător în reacțiile chimice este aceea că aceleași substanțe în cazuri diferite pot fi atât agenți oxidanți, cât și reductori. Pentru a învăța cum să determinați corect rolul unui anumit element chimic într-o reacție, trebuie să înțelegeți clar următoarele concepte de bază.
- Oxidare numit procesul de eliberare de electroni din stratul exterior de electroni al unui element chimic. La randul lui agent oxidant va exista un atom, moleculă sau ion care acceptă electroni și, prin urmare, își scade starea de oxidare, care este se recuperează . După o reacție chimică de interacțiune cu o altă substanță, agentul oxidant capătă întotdeauna o sarcină pozitivă.
- Recuperare Procesul de adăugare de electroni la stratul exterior de electroni al unui element chimic se numește. restaurator va exista un atom, moleculă sau ion care își donează electronii și, prin urmare, le crește gradul de oxidare, adică sunt oxidate . După o reacție chimică de interacțiune cu o altă substanță, agentul reducător capătă întotdeauna o sarcină pozitivă.
- Mai simplu spus, un agent de oxidare este o substanță care „prea” electroni, iar un agent reducător este o substanță care îi dă agentului de oxidare. Este posibil să se determine cine în reacția redox joacă rolul unui agent oxidant, cine este un agent reducător și în ce cazuri agentul oxidant devine agent reducător și invers, cunoscând comportamentul tipic al elementelor individuale în reacțiile chimice.
- Agenții reducători tipici sunt metalele și hidrogenul: Fe, K, Ca, Cu, Mg, Na, Zn, H). Cu cât sunt mai puțin ionizați, cu atât sunt mai mari proprietățile lor reducătoare. De exemplu, fierul parțial oxidat care a donat un electron și are o sarcină de +1 va putea dona un electron mai puțin în comparație cu fierul „pur”. De asemenea, agenții reducători pot fi compuși ai elementelor chimice în cea mai scăzută stare de oxidare, în care toți orbitalii liberi sunt umpluți și care pot dona doar electroni, de exemplu, amoniac NH 3, hidrogen sulfurat H 2 S, acid bromhidric HBr, hidrogen iod HI , acid clorhidric HCI.
- Agenții de oxidare tipici sunt multe nemetale (F, Cl, I, O, Br). Metalele cu stare de oxidare ridicată (Fe +3, Sn +4, Mn +4), precum și unii compuși ai elementelor în stare de oxidare ridicată pot acționa și ca agenți de oxidare: permanganat de potasiu KMnO 4, acid sulfuric H 2 SO 4 , acid azotic HNO3, oxid de cupru CuO, clorură de fier FeCl3.
- Compuși chimiciîn stări de oxidare incomplete sau intermediare, de exemplu, acidul azotic monobazic HNO 2, peroxidul de hidrogen H 2 O 2, acidul sulfuros H 2 SO 3 pot prezenta atât proprietăți oxidante, cât și reducătoare, în funcție de proprietățile redox ale celui de-al doilea reactiv implicat în interacțiune .
Ka rezultă din acest exemplu, un atom de sodiu își dă electronul unui atom de oxigen. Prin urmare, sodiul este un agent reducător, iar oxigenul este un agent oxidant. În acest caz, sodiul va fi complet oxidat, deoarece va renunța la numărul maxim posibil de electroni, iar atomul de oxigen nu va fi complet redus, deoarece va putea accepta încă un electron de la un alt atom de oxigen.