Окислительно-восстановительные реакции играют важную роль во многих процессах, происходящих в природе и промышленности. Понимание механизмов этих реакций позволяет управлять химическими процессами и использовать их с пользой. Давайте разберемся, что из себя представляют окислители и восстановители, и как они участвуют в реакциях.
1. Что такое окислители и восстановители
Окислители и восстановители — это вещества, которые отдают или принимают электроны в ходе окислительно-восстановительной реакции.
Окислитель — вещество, принимающее электроны и восстанавливающееся .
Восстановитель — вещество, отдающее электроны и окисляющееся .
Химические вещества по своим окислительно-восстановительным свойствам делятся на:
- Типичные окислители — наиболее активные акцепторы электронов. К ним относятся соединения фтора, кислорода, хлора и др.
- Типичные восстановители — наиболее активные доноры электронов. В их числе соединения активных металлов, водород, оксид углерода(II) и др.
- Амфотерные окислители-восстановители — могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства в зависимости от условий
Для предсказания возможного направления окислительно-восстановительной реакции полезно знать стандартные электродные потенциалы веществ-окислителей и веществ-восстановителей. Вещество с более положительным значением восстановительного потенциала является более сильным окислителем, а вещество с более отрицательным значением — более сильным восстановителем.
| Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы некоторых пар | Е°, В | |
| F2, 2F− | > | +2,87 |
| O3, O2 | > | +2,07 |
| Cl2, 2Cl− | > | +1,36 |
| Cr2O72−, Cr3+ + 7H2O | > | +1,33 |
| MnO 4−, Mn2+ + 4H2O | > | +1,51 |
| Fe3+, Fe2+ | > | +0,77 |
| ... | ... | |
| Cu2+, Cu+ | > | +0,16 |
| V3+, V2+ | > | −0,26 |
| Cr2+, Cr | > | −0,91 |
| Fe2+, Fe | > | −0,44 |
| Zn2+, Zn | > | −0,76 |
| H+, 1⁄2H2 | > | 0,00 |
| Al3+, Al | > | −1,66 |
| Mg2+, Mg | > | −2,37 |
| Na+, Na | > | −2,71 |
| Li+, Li | > | −3,05 |
Таким образом, вещество слева в таблице (с большим положительным Е°) будет окислять вещество справа. Чем больше разница потенциалов, тем активнее протекает окислительно-восстановительная реакция.
2. Типы окислительно-восстановительных реакций
В зависимости от того, где находятся окислитель и восстановитель до начала реакции, ОВР классифицируют на несколько типов:
- Межмолекулярные — окислитель и восстановитель изначально в разных молекулах/ионах
- Внутримолекулярные — окислитель и восстановитель в одной молекуле/ионе
- Диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление) — восстановитель и окислитель — один и тот же элемент, который разделяется на разные степени окисления
- Контрдиспропорционирование окислитель из разных молекул переходят в один и тот же продукт
Наглядным примером межмолекулярной ОВР может служить взаимодействие цинка с соляной кислотой:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
Здесь атомы цинка отдают электроны атомам водорода из другой молекулы — соляной кислоты.
Примером внутримолекулярной ОВР является термическое разложение пероксида водорода:
2H2O2 → 2H2O + O2
Здесь окислитель (O) и восстановитель (H) находились в молекуле H2O2 до начала реакции.
Реакция диспропорционирования часто наблюдается при электролизе растворов солей:
2Cl- → Cl2 + 2e (на аноде)
2H2O + 2e → H2 + 2OH- (на катоде)
Здесь один и тот же хлор переходит в две разные степени окисления: 0 в Cl2 и -1 в Cl-.
3. Факторы, влияющие на ОВР
На протекание и направление окислительно-восстановительных реакций влияет множество факторов:
- Среда реакции (кислая, нейтральная, щелочная)
- Концентрация реагентов
- Температура
- Катализаторы
- Наличие комплексообразователей
- Степень измельчения твердых реагентов
Рассмотрим некоторые из них подробнее.
Среда реакции. Она определяет, в каких формах будут находиться продукты ОВР. Например, основные оксиды устойчивы только в щелочной среде, а кислотные оксиды — в кислой. Поэтому эти вещества не могут накапливаться при протекании ОВР в неподходящей для них среде.
Концентрация реагентов. Чем выше концентрация реагентов, тем активнее и полнее протекает ОВР. Однако при очень высоких концентрациях возможно торможение реакции из-за образования прочных комплексов, затрудняющих обмен электронами.
Температура. Большинство ОВР идут быстрее и глубже при повышении температуры. Однако некоторые окислители при высокой температуре сами начинают разлагаться или диспропорционировать.
4. Распространенные окислители
Перманганат калия — сильный окислитель благодаря присутствию в нем марганца в высокой степени окисления +7. Однако глубина его восстановления сильно зависит от условий реакции. Например, в кислой среде марганец восстанавливается до Mn2+, а в щелочной — только до Mn4+.
Серная кислота в концентрированном виде — довольно сильный окислитель. Она окисляет многие металлы с образованием сернистого газа, серы или сероводорода в зависимости от условий.
5. Свойства некоторых окислителей
Азотная кислота благодаря присутствию азота в высокой степени окисления +5 может окислять даже такие трудноокисляемые вещества, как оксид углерода(II). Продукты ее восстановления зависят от природы восстановителя и концентрации кислоты.
Пероксид водорода содержит атомы кислорода в отрицательной степени окисления и может вести себя как окислитель, так и восстановитель. Например, пероксид окисляет сульфиды, а железо(II) восстанавливает пероксид до воды.
6. Применение пероксида водорода
Пероксид водорода находит широкое применение благодаря своим окислительно-восстановительным свойствам:
- Отбеливание тканей, волос, зубов
- Очистка воды
- Дезинфекция ран и ожогов
- Компонент ракетного топлива
- Инициатор полимеризации
7. Промышленные окислители
В промышленности в качестве окислителей часто используют:
- Азотную кислоту
- Хромовую кислоту и дихроматы
- Перманганаты
- Пероксид водорода
Например, азотная кислота применяется для окисления органических соединений, а KMnO 4 используется для очистки воды от органических загрязнений.
8. Бытовые окислители и восстановители
Многие распространенные бытовые вещества обладают окислительно-восстановительной активностью. К ним относятся:
- Перекись водорода
- Отбеливатели на основе гипохлорита натрия
- Уксусная кислота
- Аскорбиновая кислота (витамин С)
Знание окислительно-восстановительных свойств таких веществ важно для правильного и безопасного обращения с ними.
