Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе многих важных процессов - от промышленного производства до биохимических реакций в живых организмах. Понимание окислительных и восстановительных свойств различных соединений критически важно для управления такими процессами и их оптимизации.
Окислительно-восстановительные реакции и свойства металлов
Окислительно-восстановительная реакция - это реакция, сопровождающаяся изменением степеней окисления элементов, участвующих в реакции. При этом одни элементы отдают электроны (восстановители), а другие их принимают (окислители).
Окислительные и восстановительные свойства элементов в периодической системе меняются закономерно:
- В ряду металлов от Li до Au окислительные свойства возрастают, а восстановительные ослабевают
- В главных подгруппах периодической системы сверху вниз восстановительные свойства возрастают, а окислительные ослабевают
Эти закономерности объясняют различия в окислительно-восстановительных свойствах металлов. Рассмотрим их более подробно.
Зависимость окислительных свойств металлов от положения в периодической системе
В ряду металлов литий, натрий, калий проявляют сильные восстановительные свойства и слабые окислительные. Они легко отдают электроны, восстанавливая другие вещества. С другой стороны, медь, серебро и золото - типичные окислители, они легко принимают электроны, окисляя другие вещества.
Такое различие связано с тем, что металлы разных групп по-разному удерживают электроны в атоме. Чем правее расположен металл в Периодической системе, тем слабее он удерживает электроны и тем сильнее его окислительные свойства.
Ряд активности металлов отражает их окислительно-восстановительные свойства
Окислительно-восстановительную активность металлов также характеризует ряд напряжений металлов - порядок вытеснения одних металлов из растворов их солей другими металлами.
В ряду Li > K > Ca > Na > Mg > Al > Mn > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au окислительные свойства металлов возрастают слева направо.
Например, цинк вытесняет ионы Fe2+ из раствора соли железа, окисляя железо:
Zn + FeSO4 = ZnSO4 + Fe
Но сам цинк не может вытеснить медь из раствора ее солей. То есть в ряду активности цинк - восстановитель по отношению к железу, но окислитель по отношению к меди.
Факторы, влияющие на окислительные свойства
Как видно из предыдущего примера, окислительно-восстановительная активность зависит не только от природы металла, но и от он взаимодействует. Другими важными факторами, влияющими на окислительно-восстановительную активность, являются:
- Концентрация реагентов
- Температура реакции
- Наличие катализаторов
- pH среды
Например, окислительные свойства азотной кислоты сильно зависят от ее концентрации. Концентрированная HNO 3 - сильный окислитель, разбавленный же раствор проявляет гораздо более слабые окислительные свойства.
С повышением температуры скорость окисления возрастает. Многие реакции окисления не идут при комнатной температуре или идут очень медленно. При нагревании же они резко ускоряются.
Также в последнее время активно изучается влияние наноразмерных катализаторов на окислительно-восстановительные реакции. Было показано, что некоторые наночастицы металлов проявляют уникальные каталитические свойства.
Например, наночастицы палладия катализируют реакции глубокого окисления таких трудноокисляемых веществ как метан, бензол, сероводород при относительно низких температурах (Zhang et al. 2019).
Таким образом, окислительные свойства металлов и их соединений зависят от множества факторов. Понимание этих факторов критически важно для оптимизации окислительно-восстановительных реакций на практике.
Как было отмечено выше, наноразмерные частицы некоторых металлов проявляют уникальные каталитические свойства в окислительно-восстановительных реакциях. Этот эффект связан с высокой долей поверхностных атомов и квантоворазмерными эффектами в наночастицах.
Механизмы каталитического действия
Существует несколько предполагаемых механизмов, объясняющих аномально высокую каталитическую активность наноразмерных частиц благородных металлов:
- Большая доля низко-координированных поверхностных атомов
- Изменение электронной структуры и плотности электронных состояний
- Квантоворазмерные эффекты
Эти особенности наночастиц приводят к снижению энергии активации реакций и позволяют эффективно адсорбировать и активировать молекулы реагентов.
Перспективные катализаторы
Наиболее перспективны наночастицы Pt, Pd, Au. Например, установлено, что наночастицы палладия эффективно окисляют CO, H2S, NH3 и другие токсичные вещества уже при комнатной температуре.
Применение окислительно-восстановительных реакций в промышленности
Понимание окислительно-восстановительных свойств веществ критически важно для многих промышленных процессов.
Ключевые примеры применения ОВР:
- Металлургическое производство
- Синтез химических продуктов
- Переработка нефти
Рассмотрим некоторые примеры более подробно.
