Окислительно-восстановительные реакции

Мы объясним, что такое окислительно-восстановительные реакции, какие типы существуют, их применение, характеристики и примеры окислительно-восстановительных реакций
В окислительно-восстановительных реакциях одна молекула теряет электроны, а другая их принимает

Что такое окислительно-восстановительные реакции?

химии химические реакции, в которых происходит обмен электронами между атомами или молекулами , известны как окислительно-восстановительные реакции, реакции окисления-восстановления или реакции восстановления-окисления

Этот обмен отражается в изменении состояния окисления реактантов. Реактив, отдающий электроны, подвергается окислению, а реактив, принимающий электроны, – восстановлению

Состояние окисления указывает на количество электронов, которые атом химического элемента отдает или принимает, когда он участвует в химической реакции. Его также можно интерпретировать как предполагаемый электрический заряд , который имел бы данный атом, если бы все его связи с другими атомами были полностью ионными. Его также называют числом окисления или валентностью

Умение правильно определить степень окисления или номер окисления каждого атома в химическом соединении необходимо для понимания и анализа окислительно-восстановительных реакций. Существуют определенные правила расчета их стоимости:

• Число окисления нейтральных элементов или молекул равно нулю. Например: твердые металлы (Fe, Cu, Zn…), молекулы (O2, N2, F2).

YSK45 Ионы , состоящие из одного атома, имеют число окисления, равное их заряду. Например: Na+, Li+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Cl–.

• Фтор всегда имеет степень окисления -1, потому что он является самым электроотрицательным элементом из существующих (F–).
• Водород всегда имеет число окисления +1 (H+), за исключением гидридов металлов (гидрид калия, KH), где он имеет число окисления -1 (H–).
• Кислород имеет число окисления -2, за некоторыми исключениями:
• Когда он образует соединения с фтором, он имеет число окисления 2+. Например: дифторид кислорода (OF2).
• При образовании пероксидов он имеет число окисления -1 (O22-). Например: перекись водорода (H2O2), перекись натрия (Na2O2).
• Когда он образует супероксиды, он имеет число окисления -½ (O2–). Например: супероксид калия (KO2).
• Алгебраическая сумма чисел окисления атомов, составляющих нейтральное соединение, равна нулю.
• Алгебраическая сумма чисел окисления атомов, входящих в состав многоатомного иона, равна заряду иона. Например: сульфат-анион (SO42-) имеет число окисления -2, которое равно сумме чисел окисления серы и кислорода, умноженных на количество каждого атома в соединении, в данном случае, это один атом серы и четыре атома кислорода.
• Числа окисления некоторых химических элементов могут меняться в зависимости от нейтрального соединения или иона, частью которого они являются. Затем можно рассчитать число окисления атома в соединении следующим образом:

Где no() означает номер окисления, а химический элемент находится внутри скобок

Таким образом, в каждой окислительно-восстановительной реакции есть два типа реактантов: один отдает электроны, а другой принимает их :

• Окислитель – это атом, который захватывает электроны. В этом смысле его начальная степень окисления уменьшается, и происходит восстановление. Таким образом, он увеличивает свой отрицательный электрический заряд, набирая электроны.
• Восстановитель – это атом, который отдает электроны и повышает свое исходное состояние окисления, претерпевая окисление. Таким образом, он увеличивает свой положительный электрический заряд, отдавая электроны.

Некоторые химические элементы могут быть окислены и восстановлены одновременно. Эти элементы называются амфолитами, а процесс, в котором это происходит, называется амфолитизацией

Окислительно-восстановительные реакции являются одними из самых распространенных химических реакций во Вселенной , поскольку они являются частью процессов фотосинтеза растений дыхания у животных, которые позволяют жизни продолжаться

Характеристика окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительные реакции окружают нас каждый день. Окисление металлов , сгорание газа на кухне или даже окисление глюкозы для получения АТФ в нашем организме – вот некоторые примеры

В большинстве случаев окислительно-восстановительные реакции высвобождают значительное количество энергии

В целом, каждая окислительно-восстановительная реакция состоит из двух стадий или полуреакций. В одной полуреакции происходит окисление (реактив окисляется), а в другой полуреакции – восстановление (реактив восстанавливается)

Общая окислительно-восстановительная реакция, которая получается в результате алгебраического объединения всех полуреакций, часто называется общей реакцией. Важно отметить, что при алгебраическом объединении полуреакций необходимо корректировать как массу, так и заряд. То есть количество электронов, отданных при окислении, должно быть таким же, как количество электронов, полученных при восстановлении, а масса каждого реактива должна быть равна массе каждого продукта

Например:

• полуреакция на уменьшение. Восстановление меди путем захвата двух электронов. Он снижает степень окисления.
  
• Полуреакция окисления Окисление железа путем потери двух электронов. Повышает степень окисления.
  
  Общая реакция:
  

Типы окислительно-восстановительных реакций

Реакции горения (окислительно-восстановительные реакции) высвобождают энергию, которая может создавать движение.

Существуют различные типы окислительно-восстановительных реакций с разными характеристиками. Наиболее распространенными типами являются:

• Горение. Горение – это окислительно-восстановительная химическая реакция, в результате которой выделяется значительное количество энергии в виде тепла света. Эти реакции представляют собой быстрое окисление, при котором выделяется большое количество энергии. Высвобождаемая энергия может быть использована контролируемым образом для создания движения в автомобильных двигателях. В этих реакциях участвуют элемент, называемый комбурентом (который восстанавливает и окисляет топливо), и элемент топлива (который окисляет и восстанавливает комбурент). Примерами топлива являются бензин и газ, который мы используем на кухне, а самым известным горючим является газообразный кислород (O2).
• Окисление металлов. Эти реакции протекают медленнее, чем горение. Они обычно описываются как деградация определенных материалов, особенно металлов, в результате воздействия на них кислорода. Это всемирно известное и повседневное явление, особенно в прибрежных районах, где соли, содержащиеся в окружающей среде, ускоряют (катализируют) реакцию. Поэтому автомобиль после поездки на пляж должен быть очищен от всех следов соленой воды.
• Диспропорционирование Также известные как реакции дисмутации, они характеризуются одним реактантом, который одновременно восстанавливается и окисляется. Типичным примером этого является разложение перекиси водорода (H2O2).
• Также называемые простыми реакциями замещения, они происходят, когда два элемента обмениваются своими местами в одном и том же соединении. То есть, один элемент заменяет другой на его точном месте в формуле, уравновешивая их соответствующие электрические заряды с другими атомами по мере необходимости. Например, когда металл вытесняет водород в кислоте, образуются соли, как это происходит, когда выходят из строя батарейки в электроприборах.

Примеры окислительно-восстановительных реакций

Примеры окислительно-восстановительных реакций очень многочисленны. Мы постараемся привести пример каждого из описанных выше типов:

• Сжигание октана. Октановое число – это углеводородный компонент бензина, используемого для работы наших автомобильных двигателей. Когда октан реагирует с кислородом, октан окисляется, а кислород восстанавливается, в результате этой реакции выделяется большое количество энергии. Эта высвобожденная энергия используется для производства работы в двигателе, при этом в процессе вырабатывается углекислый газ и водяной пар. Уравнение, представляющее эту реакцию, имеет вид:
  
• Разложение пероксида водорода – это реакция дисмутации, в которой пероксид водорода разлагается на составляющие его элементы – воду и кислород. В этой реакции кислород восстанавливается, уменьшая свое число окисления от -1 (H2O2) до -2 (H2O), и окисляется, увеличивая свое число окисления от -1 (H2O2) до 0 (O2).
  
• Это простая реакция вытеснения , в которой видно, что когда кусок металлической меди погружают в раствор нитрата серебра, цвет раствора становится синим, и на куске меди осаждается тонкий слой металлического серебра. В этом случае часть металлической меди (Cu) превращается в ион Cu2+, как часть нитрата меди (II) (Cu(NO3)2), раствор которого имеет приятный синий цвет. С другой стороны, часть катиона Ag+, входящего в состав нитрата серебра (AgNO3), превращается в металлическое серебро (Ag), которое осаждается.
  
• Реакция цинка с разбавленной соляной кислотой. Это простая реакция замещения, в которой водород в HCl(ac) вытесняется цинком с образованием соли.
  
• Окисление железа Металлическое железо окисляется при контакте с кислородом в воздухе. Это можно наблюдать в повседневной жизни, когда на железных предметах образуется коричневый оксидный слой, когда они долгое время находятся под воздействием воздуха. В этой реакции металлическое железо (Fe), имеющее степень окисления 0, превращается в Fe3+ , т.е. его степень окисления повышается (оно окисляется). По этой причине интуитивно или в просторечии говорят: железо окисляется.
  

Промышленное применение

На электростанциях окислительно-восстановительные реакции приводят в действие большие двигатели.

Промышленное применение окислительно-восстановительных реакций бесконечно. Например, реакции сгорания идеально подходят для производства работы для создания движения в больших двигателях, используемых на электростанциях для производства электроэнергии

Этот процесс включает сжигание ископаемого топлива для получения тепла для производства пара в котле, который затем используется для привода больших двигателей или турбин. С другой стороны, реакции сгорания также используются для работы двигателей транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, таких как наши автомобили

С другой стороны, окислительно-восстановительные реакции замещения и замещения полезны для получения определенных элементов в состоянии чистоты, которые не часто встречаются в природе. Например, серебро обладает высокой реакционной способностью. Хотя его редко можно найти в чистом виде в минеральных недрах, высокую степень чистоты можно получить с помощью окислительно-восстановительной реакции. То же самое справедливо для солей и других соединений