Окислительно-восстановительные реакции

 
 

§ 15. Окислительно-восстановительные реакции

Окисление и восстановление — противоположные процессы

В 7 классе вы уже ознакомились с реакциями окисления. Мы рассматривали их как реакции веществ с Оксигеном с образованием оксидов. Можно сказать, что окисление — это процесс присоединения веществом атомов Оксигена (рис. 15.1, а). Вместе с окислением в природе происходит противоположный процесс, который сопровождается отдачей веществом атомов Оксигена. Этот процесс называют восстановлением. На примере реакции восстановления меди (рис. 15.1, б) становится понятным название этого процесса: поскольку из черного купрум(II) оксида получили блестящий металл, то было логично назвать этот процесс восстановлением металла.

Рис. 15.1. Реакции окисления (а) и восстановления (б) меди

Обратите внимание: Купрум отдает атомы Оксигена и восстанавливается, но одновременно атомы Гидрогена соединяются с атомами Оксигена и окисляются (рис. 15.1, б).

Итак, процессы окисления и восстановления — это противоположные взаимосвязанные процессы: восстановление всегда сопровождается окислением, и наоборот. Поэтому используют термин окислительно-восстановительные реакции (сокращенно ОВР).

Электронная природа окислительно-восстановительных реакций

С развитием химии ученые установили электронную природу процессов окисления и восстановления. Одним из первых электронную теорию окислительно-восстановительных процессов предложил наш соотечественник Л. В. Писаржевский. Он сопоставил процессы окисления и восстановления с изменением степеней окисления элементов вследствие перехода электронов от атомов одних элементов к другим.

• Реакции, в которых хотя бы один химический элемент меняет свою степень окисления, называют окислительно-восстановительными.

Рассмотрим еще раз реакцию окисления меди, но на этот раз обратим внимание на степени окисления элементов реагентов и продуктов реакции:

Мы видим, что в результате реакции Купрум повышает свою степень окисления с 0 до +2. Для этого атомы Купрума должны отдать по 2 электрона. Этот процесс можно описать схемой:

• Окисление — это процесс отдачи электронов атомом (ионом) с повышением степени окисления.

В этой реакции Купрум понижает свою степень окисления с 0 до -2. Для этого атомы Оксигена должны принять по 2 электрона:

Так атомы Оксигена дополняют (восстанавливают) свою электронную оболочку.

• Восстановление — это процесс присоединения электронов атомом (ионом) с понижением степени окисления.

Элемент, который отдает электроны и тем самым повышает свою степень окисления, называют восстановителем. Вещество, содержащее элемент-восстановитель, также называют восстановителем. Поскольку восстановитель в ходе реакции отдает электроны, то сам он при этом окисляется.

• Восстановитель — это частица (молекула, атом или ион), которая отдает электроны.

В реакции меди с кислородом атомы Купрума окисляются, поскольку отдают электроны, но они в этой реакции являются восстановителями, поскольку отдают электроны и восстанавливают атомы Оксигена.

Элемент, который присоединяет электроны, а также вещество, в составе которого он содержится, называют окислителем. Поскольку окислитель в ходе реакции присоединяет электроны, то сам он при этом восстанавливается.

• Окислитель — это частица (молекула, атом или ион), которая присоединяет электроны.

В реакции, которую мы рассмотрели, Оксиген восстанавливается, поскольку присоединяет электроны, но одновременно он является окислителем и окисляет Купрум.

В общем случае все определения, которые мы рассмотрели в этом подразделе, можно представить схемой:

Лев Владимирович Писаржевский (1874-1938)

Украинский физико-химик, академик АН СССР и АН УССР. После окончания гимназии готовился стать врачом, но, ознакомившись с учебником Менделеева «Основы химии», решил посвятить себя этой науке. После окончания Одесского университета учился в Лейпциге в лаборатории Оствальда, где защитил диссертацию. Работал в Тарту, Киевском политехникуме, Екатеринославском горном институте (сейчас Национальный горный университет, г. Днепр). В годы гражданской войны сконструировал простой противогаз, сберегший здоровье многих солдат. Разработал теорию окислительно-восстановительных реакций. Был основателем и первым директором института физической химии НАН Украины, названного его именем.

Рассмотрим реакцию хлоридной кислоты со щелочью:

Легко заметить, что в этой реакции ни один химический элемент не меняет свою степень окисления, поэтому данная реакция не является окислительно-восстановительной, как и любая другая реакция ионного обмена. Главное отличие окислительно-восстановительных реакций от реакций ионного обмена заключается в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит переход электронов от восстановителя к окислителю.

На островах Индонезии обитают сорные куры, или большеноги (alectura lathami). В отличие от большинства птиц они не высиживают свои яйца, а закапывают их в кучу гумуса, листьев и навоза. Яйца развиваются благодаря теплоте, выделяемой при окислительно-восстановительной реакции гниения растений. Благодаря нежной коже внутри клюва самец отслеживает температуру в таком «инкубаторе» и в зависимости от нее раскапывает яйца или засыпает их песком.

Значение окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительные реакции имеют большое значение в природе и деятельности человека. Они являются основой многих процессов жизнедеятельности живых организмов. В промышленности ОВР — один из главных методов получения новых веществ, в особенности металлов, а также в производстве кислот, лекарств, красителей и т. д.

Значение ОВР в природе

Фотосинтез — это окислительно-восстановительная реакция, обеспечивающая жизнь на планете. Под действием света в зеленых растениях происходит процесс, который можно описать суммарным уравнением: 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2↑. Окислителем здесь выступает углекислый газ, а восстановителем — атомы Оксигена в составе воды.

Обмен веществ и энергии в клетках происходит в процессе многочисленных окислительно-восстановительных реакций. Процессы дыхания, пищеварения — все это цепи ОВР. Превращение энергии, освобождающейся при ОВР, в энергию химических связей молекул АТФ происходит в митохондриях.

Любая реакция горения является окислительно-восстановительной. С давних времен горение является источником энергии для человека. Горение древесины можно описать уравнением, обратным к процессу фотосинтеза: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O.

Гниение также является окислительно-восстановительным процессом, который происходит при участии бактерий. В результате гниения выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности этих бактерий. Миллионы лет назад благодаря этим процессам сформировались полезные ископаемые.

Брожение — еще один пример природных ОВР. Этот процесс происходит при участии грибов, которые таким способом получают необходимую энергию. Человек использует брожение для приготовления квашеных овощей, дрожжевого теста, кисломолочных продуктов, сыра, пива и т. п.

В живых организмах случаются и нежелательные процессы окисления, следствием которых могут быть мутации ДНК и заболевания, в частности рак. Вещества-антиоксиданты, проявляющие восстановительные свойства, взаимодействуют с избыточными окислителями в организме и «нейтрализуют» их. Самый распространенный антиоксидант — витамин C.

Коррозия — это многостадийный окислительновосстановительный процесс, описывающийся уравнением: 4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3. Коррозию можно назвать процессом, противоположным получению металлов на заводах. Этот процесс приводит к повреждению металлических конструкций.

Значение ОВР в технике

Получение энергии из любого топлива основано на ОВР. Например, в двигателях внутреннего сгорания происходит реакция сгорания бензина. Энергия, выделяющаяся в результате реакции, превращается в механическую энергию для перемещения автомобиля.

В обычных батарейках также протекают ОВР, энергия от которых преобразуется в электрическую энергию. Такие источники электрического тока называют гальваническими элементами. Аккумуляторы в автомобилях, ноутбуках и мобильных телефонах — это также гальванические элементы, в которых протекают различные ОВР.

В топливных элементах энергия вырабатывается в результате окислительно-восстановительной реакции горения. Перспективным является топливный элемент, в котором происходит сгорание водорода, поскольку единственный продукт этой реакции — вода. Автомобили с такими топливными элементами будут экологически чистыми.

Окислительно-восстановительные реакции являются основой метода гальванопластики — покрытия поверхности тонким слоем металла. На изделие любой сложности из любого материала наносят слой металла. Этим методом наносят позолоту на деревянные изделия, хромируют детали автомобилей, бытовой техники и т. п.

Металлургические процессы — получение металлов — невозможны без ОВР. Металлы (железо, медь, свинец и др.) восстанавливают из руды коксом (специально обработанным углем). Алюминий из руды восстанавливают электрическим током. По выпуску черных металлов Украина занимает одно из первых мест в мире.

Без ОВР невозможен химический анализ некоторых веществ. Используя различные реагенты, определяют концентрацию кислорода, ионов Феррума или Хрома в смесях. Также с помощью ОВР можно определить содержание витамина C (аскорбиновой кислоты) во фруктах, соках и др.

Реакция азота с водородом N2 + 3H2 = 2NH3 также является окислительно-восстановительной. На этой реакции основано производство азотных удобрений и взрывчатых веществ. Дешевый способ синтеза аммиака позволил повысить урожайность сельскохозяйственных культур. В Украине аммиак синтезируют в больших объемах на предприятиях «Ровноазот», Черкасский «Азот» и другие.

Ключевая идея

Окисление и восстановление — противоположные взаимосвязанные процессы, которые заключаются в обмене электронами.

Контрольные вопросы

  • 175. Какие реакции называют окислительно-восстановительными? Приведите примеры окислительно-восстановительных реакций в природе и быту.
  • 176. Дайте определение понятиям «окислитель», «восстановитель», «окисление», «восстановление» с точки зрения электронной теории ОВР.
  • 177. Можно ли любой процесс окисления охарактеризовать как горение? А можно ли любой процесс горения назвать процессом окисления?

Задания для усвоения материала

178. Определите, какие из приведенных реакций являются окислительно-восстановительными. Для ОВР обозначьте стрелкой направление переноса электронов и их количество, как на схеме на с. 90.

  • а) 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑;
  • б) MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O;
  • в) 2Al(OH)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O;
  • г) 6NaOH + P2O5 = 2Na3PO4 + 3H2O;
  • д) CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O;
  • е) Fe + 2HCl = FeCl2 + H2↑;
  • ж) 2H2 + O2 = 2H2O;
  • з) 2Al + 3S = Al2S3.

179. В каждом уравнении реакции определите элементы, которые являются восстановителями и окислителями:

  • а) N2 + O= 2NO;
  • б) 3Mg + N2 = Mg3N2;
  • в) Cl2 + 2KBr = 2KCl + Br2;
  • г) Fe + CuSO= FeSO4 + Cu;
  • д) 2K + 2H2O = 2KOH + H2↑;
  • е) 2Pb(NO3)2 = 2PbO + 4NO2↑ + O2↑;
  • ж) Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑;
  • з) 5Cl2 + 2P = 2PCl5.

181. Охарактеризуйте значение ОВР в быту, технике, природе.

182. Изделия из серебра при длительном хранении тускнеют из-за образования на поверхности нерастворимого аргентум(I) сульфида черного цвета. Восстановить блеск серебра можно кипячением изделия в растворе соды вместе с алюминиевой фольгой. Какое вещество в этом случае будет окислителем, а какое — восстановителем? Составьте уравнение этой реакции.

183. Свободные радикалы в организме (частицы с неспаренными электронами) вызывают гибель клеток или их перерождение в раковые клетки. Нейтрализовать действие свободных радикалов могут некоторые вещества, которые называются антиоксидантами, например аскорбиновая кислота. Предположите, какие свойства (окислителей или восстановителей) характерны для свободных радикалов и антиоксидантов.

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Хімії за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.