Ang pagbabago ng isang substansiya patungo sa isa pa sa pagbuo ng mga bagong compound ay tinatawag na kemikal na reaksyon. Ang pag-unawa sa prosesong ito ay napakahalaga para sa buhay ng mga tao, dahil sa tulong nito maaari kang makakuha ng isang malaking halaga ng mga kinakailangan at kapaki-pakinabang na mga sangkap na matatagpuan sa kalikasan sa maliit na dami o hindi umiiral sa kanilang natural na anyo. Kabilang sa mga pinakamahalagang uri ay ang redox reactions (dinaglat na OVR o redox). Nailalarawan ang mga ito sa pamamagitan ng pagbabago sa mga estado ng oksihenasyon ng mga atom o ion.
Mga prosesong nagaganap sa panahon ng reaksyon
Sa panahon ng reaksyon, dalawang proseso ang nagaganap - oksihenasyon at pagbabawas. Ang una sa kanila ay nailalarawan sa pamamagitan ng donasyon ng mga electron sa pamamagitan ng pagbabawas ng mga ahente (donor) na may pagtaas sa kanilang estado ng oksihenasyon, ang pangalawa sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga electron sa pamamagitan ng mga oxidizing agent (acceptors) na may pagbaba sa kanilang estado ng oksihenasyon. Ang pinakakaraniwang mga ahente ng pagbabawas ay mga metal at non-metal compound sa pinakamababang estado ng oksihenasyon (hydrogen sulfide, ammonia). tipikalAng mga ahente ng oxidizing ay mga halogens, nitrogen, oxygen, pati na rin ang mga sangkap na naglalaman ng isang elemento sa pinakamataas na estado ng oksihenasyon (nitric o sulfuric acid). Ang mga atomo, ion, molekula ay maaaring mag-donate o makakuha ng mga electron.
Bago ang 1777, ipinalagay na ang oksihenasyon ay nagresulta sa pagkawala ng isang hindi nakikitang nasusunog na substance na tinatawag na phlogiston. Gayunpaman, ang teorya ng pagkasunog na nilikha ni A. Lavoisier ay nakumbinsi ang mga siyentipiko na ang oksihenasyon ay nangyayari kapag nakikipag-ugnayan sa oxygen, at ang pagbabawas ay nangyayari sa ilalim ng pagkilos ng hydrogen. Pagkaraan lamang ng ilang sandali ay naging malinaw na hindi lamang ang hydrogen at oxygen ang maaaring makaapekto sa mga reaksiyong redox.
Oxidation
Ang proseso ng oksihenasyon ay maaaring mangyari sa likido at gas na mga bahagi, gayundin sa ibabaw ng mga solido. Ang isang espesyal na papel ay ginagampanan ng electrochemical oxidation na nagaganap sa mga solusyon o natutunaw sa anode (isang electrode na konektado sa positibong poste ng pinagmumulan ng kuryente). Halimbawa, kapag ang mga fluoride ay natunaw sa pamamagitan ng electrolysis (ang pagkabulok ng isang substance sa mga bumubuo nitong elemento sa mga electrodes), ang pinakamalakas na inorganic oxidizing agent, ang fluorine, ay nakukuha.
Ang isa pang klasikong halimbawa ng oksihenasyon ay ang pagkasunog sa hangin at purong oxygen. Ang iba't ibang mga sangkap ay may kakayahan sa prosesong ito: mga metal at di-metal, mga organic at inorganic na compound. Ang praktikal na kahalagahan ay ang pagkasunog ng gasolina, na higit sa lahat ay isang kumplikadong pinaghalong hydrocarbon na may maliit na halaga ng oxygen, sulfur, nitrogen at iba pang mga elemento.
Classic oxidizer –oxygen
Ang isang simpleng substance o kemikal na tambalan kung saan ang mga atom ay nakakabit ng mga electron ay tinatawag na isang oxidizing agent. Ang isang klasikong halimbawa ng naturang sangkap ay oxygen, na nagiging mga oxide pagkatapos ng reaksyon. Ngunit din ang isang oxidizing agent sa redox reaksyon ay ozone, na kung saan ay nabawasan sa organic na mga sangkap (halimbawa, ketones at aldehydes), peroxides, hypochlorites, chlorates, nitric at sulfuric acids, mangganeso oksido at permanganate. Madaling makita na ang lahat ng mga sangkap na ito ay naglalaman ng oxygen.
Iba pang karaniwang oxidizer
Gayunpaman, ang redox reaction ay hindi lamang isang prosesong kinasasangkutan ng oxygen. Sa halip, ang mga halogens, chromium, at maging ang mga metal cations at isang hydrogen ion (kung ito ay nagiging isang simpleng substance bilang resulta ng reaksyon) ay maaaring kumilos bilang isang oxidizing agent.
Kung gaano karaming mga electron ang tatanggapin ay depende sa konsentrasyon ng oxidizing agent, gayundin sa aktibidad ng metal na nakikipag-ugnayan dito. Halimbawa, sa reaksyon ng concentrated nitric acid na may metal (zinc), 3 electron ang maaaring tanggapin, at sa interaksyon ng parehong mga substance, sa kondisyon na ang acid ay nasa isang napaka-dilute na anyo, mayroon nang 8 electron.
Ang pinakamalakas na oxidizer
Lahat ng oxidizing agent ay nag-iiba sa lakas ng kanilang mga katangian. Kaya, ang hydrogen ion ay may mababang kakayahang mag-oxidize, habang ang atomic chlorine, na nabuo sa aqua regia (isang pinaghalong nitric at hydrochloric acid sa isang ratio na 1:3), ay maaaring mag-oxidize kahit na ang ginto at platinum.
Ang concentrated selenic acid ay may mga katulad na katangian. Ginagawa nitong kakaiba sa iba pang mga organic na acid. Kapag natunaw, hindi ito nakikihalubilo sa ginto, ngunit mas malakas pa rin ito kaysa sa sulfuric acid, at maaari pang mag-oxidize ng iba pang mga acid, gaya ng hydrochloric acid.
Ang isa pang halimbawa ng isang malakas na oxidizing agent ay potassium permanganate. Matagumpay itong nakikipag-ugnayan sa mga organikong compound at nagagawa nitong masira ang malalakas na carbon bond. Ang copper oxide, cesium ozonide, cesium superoxide, pati na rin ang xenon difluoride, tetrafluoride at xenon hexafluoride ay mayroon ding mataas na aktibidad. Ang kanilang kakayahang mag-oxidize ay dahil sa mataas na electrode potential kapag nagre-react sa isang dilute aqueous solution.
Gayunpaman, may mga sangkap kung saan mas mataas ang potensyal na ito. Sa mga inorganic na molekula, ang fluorine ang pinakamalakas na ahente ng oxidizing, ngunit hindi ito makakakilos sa inert gas xenon nang walang karagdagang init at presyon. Ngunit ito ay matagumpay na nakayanan ng platinum hexafluoride, difluorodioxide, krypton difluoride, silver difluoride, divalent silver s alts at ilang iba pang mga sangkap. Para sa kanilang natatanging kakayahang mag-redox ng mga reaksyon, inuri sila bilang napakalakas na oxidizer.
Pagbawi
Orihinal, ang terminong "pagbawi" ay kasingkahulugan ng deoxidation, iyon ay, ang pag-alis ng isang substance ng oxygen. Gayunpaman, sa paglipas ng panahon, ang salita ay nakakuha ng isang bagong kahulugan, nangangahulugan ito ng pagkuha ng mga metal mula sa mga compound na naglalaman ng mga ito, pati na rin ang anumang mga pagbabagong kemikal kung saanang electronegative na bahagi ng isang substance ay pinapalitan ng isang positively charged na elemento, gaya ng hydrogen.
Ang pagiging kumplikado ng proseso ay higit na nakasalalay sa pagkakaugnay ng kemikal ng mga elemento sa compound. Kung mas mahina ito, mas madali ang reaksyon. Karaniwan, ang affinity ay mas mahina sa mga endothermic compound (ang init ay nasisipsip sa panahon ng kanilang pagbuo). Ang kanilang pagbawi ay medyo simple. Isang kapansin-pansing halimbawa nito ay mga pampasabog.
Upang magkaroon ng reaksyon na kinasasangkutan ng mga exothermic compound (nabuo sa pagpapalabas ng init), dapat na gumamit ng malakas na pinagmumulan ng enerhiya, gaya ng electric current.
Mga karaniwang nagpapababa ng ahente
Ang pinakaluma at karaniwang pampababa ay karbon. Naghahalo ito sa mga ore oxide, kapag pinainit, ang oxygen ay inilabas mula sa pinaghalong, na pinagsasama sa carbon. Ang resulta ay isang pulbos, butil o metal na haluang metal.
Ang isa pang karaniwang reducing agent ay hydrogen. Maaari rin itong magamit sa pagmimina ng mga metal. Upang gawin ito, ang mga oxide ay barado sa isang tubo kung saan ipinapasa ang isang stream ng hydrogen. Karaniwan, ang pamamaraang ito ay inilalapat sa tanso, tingga, lata, nikel o kob alt. Maaari mong ilapat ito sa bakal, ngunit ang pagbawas ay hindi kumpleto at ang tubig ay nabuo. Ang parehong problema ay sinusunod kapag sinusubukang tratuhin ang mga zinc oxide na may hydrogen, at ito ay higit pang pinalala ng pagkasumpungin ng metal. Ang potasa at ilang iba pang elemento ay hindi nababawasan ng hydrogen.
Mga tampok ng mga reaksyon sa organic chemistry
Isinasagawaang reduction particle ay tumatanggap ng mga electron at sa gayon ay nagpapababa ng oxidation number ng isa sa mga atom nito. Gayunpaman, maginhawa upang matukoy ang kakanyahan ng reaksyon sa pamamagitan ng pagbabago ng estado ng oksihenasyon na may partisipasyon ng mga inorganic na compound, habang sa organic chemistry mahirap kalkulahin ang numero ng oksihenasyon, madalas itong may fractional na halaga.
Upang mag-navigate sa mga reaksyong redox na kinasasangkutan ng mga organikong sangkap, kailangan mong tandaan ang sumusunod na panuntunan: nagaganap ang pagbabawas kapag binitawan ng isang compound ang mga atomo ng oxygen at nakakuha ng mga atomo ng hydrogen, at kabaliktaran, ang oksihenasyon ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagdaragdag ng oxygen.
Ang proseso ng pagbabawas ay may malaking praktikal na kahalagahan para sa organikong kimika. Siya ang sumasailalim sa catalytic hydrogenation na ginagamit para sa mga layunin ng laboratoryo o pang-industriya, lalo na, ang paglilinis ng mga sangkap at sistema mula sa mga dumi ng hydrocarbon at oxygen.
Ang reaksyon ay maaaring magpatuloy sa parehong mababang temperatura at presyon (hanggang sa 100 degrees Celsius at 1-4 na atmospheres, ayon sa pagkakabanggit), at sa mataas na temperatura (hanggang sa 400 degrees at ilang daang atmospheres). Ang paggawa ng mga organikong sangkap ay nangangailangan ng mga kumplikadong instrumento upang magbigay ng mga tamang kondisyon.
Active platinum group metals o non-precious nickel, copper, molybdenum at cob alt ay ginagamit bilang catalysts. Ang huling opsyon ay mas matipid. Nangyayari ang pagpapanumbalik dahil sa sabay-sabay na pagsipsip ng substrate at hydrogen sa pagpapadali ng reaksyon sa pagitan ng mga ito.
Nagpapatuloy ang mga reaksyon sa pagbabawasat sa loob ng katawan ng tao. Sa ilang mga kaso, maaari silang maging kapaki-pakinabang at maging mahalaga, sa iba ay maaari silang humantong sa malubhang negatibong kahihinatnan. Halimbawa, ang mga compound na naglalaman ng nitrogen sa katawan ay na-convert sa mga pangunahing amin, na, bukod sa iba pang mga kapaki-pakinabang na pag-andar, ay bumubuo ng mga sangkap ng protina na materyal na gusali ng mga tisyu. Kasabay nito, ang mga pagkain na tinina ng aniline ay gumagawa ng mga nakakalason na compound.
Mga uri ng reaksyon
Anong uri ng mga reaksiyong redox, magiging malinaw kung titingnan mo ang pagkakaroon ng mga pagbabago sa mga estado ng oksihenasyon. Ngunit sa loob ng ganitong uri ng pagbabagong kemikal, may mga pagkakaiba-iba.
Kaya, kung ang mga molekula ng iba't ibang mga sangkap ay lumahok sa pakikipag-ugnayan, ang isa sa mga ito ay kinabibilangan ng isang oxidizing atom, at ang isa ay isang reducing agent, ang reaksyon ay itinuturing na intermolecular. Sa kasong ito, ang redox reaction equation ay maaaring ang mga sumusunod:
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
Ipinapakita ng equation na nagbabago ang oxidation states ng iron at hydrogen, habang bahagi sila ng iba't ibang substance.
Ngunit mayroon ding mga intramolecular redox na reaksyon, kung saan ang isang atom sa isang kemikal na tambalan ay na-oxidize at ang isa ay nababawasan, at ang mga bagong sangkap ay nakuha:
2H2O=2H2 + O2.
Ang isang mas kumplikadong proseso ay nangyayari kapag ang parehong elemento ay kumikilos bilang isang electron donor at acceptor at bumubuo ng ilang bagong compound, na kasama sa iba't ibang mga estado ng oksihenasyon. Ang ganitong proseso ay tinatawagdismutation o disproportionation. Ang isang halimbawa nito ay ang sumusunod na pagbabago:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
Mula sa itaas na equation ng redox reaction, makikita na ang Bertolet s alt, kung saan ang chlorine ay nasa oxidation state na +5, ay nabubulok sa dalawang bahagi - potassium chloride na may oxidation state ng chlorine -1 at perchlorate na may oxidation number na +7. Lumalabas na ang parehong elemento ay sabay-sabay na tumaas at bumaba sa estado ng oksihenasyon nito.
Ang kabaligtaran ng proseso ng dismutation ay ang reaksyon ng coproportionation o reproportionation. Sa loob nito, dalawang compound, na naglalaman ng parehong elemento sa iba't ibang estado ng oksihenasyon, ay nagre-react sa isa't isa upang bumuo ng bagong substance na may iisang oxidation number:
SO2 +2H2S=3S + 2H2O.
Tulad ng makikita mo mula sa mga halimbawa sa itaas, sa ilang mga equation, ang substance ay nauunahan ng mga numero. Ang mga ito ay nagpapakita ng bilang ng mga molekula na kasangkot sa proseso at tinatawag na stoichiometric coefficients ng redox reactions. Para maging tama ang equation, kailangan mong malaman kung paano ayusin ang mga ito.
E-balance method
Ang balanse sa mga reaksyong redox ay palaging pinapanatili. Nangangahulugan ito na ang ahente ng oxidizing ay tumatanggap ng eksaktong kasing dami ng mga electron na ibinigay ng ahente ng pagbabawas. Upang makabuo nang tama ng isang equation para sa isang redox na reaksyon, kailangan mong sundin ang algorithm na ito:
- Tukuyin ang mga estado ng oksihenasyon ng mga elemento bago at pagkatapos ng reaksyon. Halimbawa, saang reaksyon sa pagitan ng nitric acid at phosphorus sa pagkakaroon ng tubig ay gumagawa ng phosphoric acid at nitric oxide: HNO3 + P + H2O=H3PO4 + HINDI. Ang hydrogen sa lahat ng compound ay may oxidation state na +1, at ang oxygen ay -2. Para sa nitrogen, bago magsimula ang reaksyon, ang numero ng oksihenasyon ay +5, at pagkatapos itong magsagawa ng +2, para sa phosphorus - 0 at +5, ayon sa pagkakabanggit.
- Markahan ang mga elemento kung saan nagbago ang oxidation number (nitrogen at phosphorus).
- Bumuo ng mga electronic equation: N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- I-equalize ang bilang ng mga natanggap na electron sa pamamagitan ng pagpili ng least common multiple at pagkalkula ng multiplier (ang mga numero 3 at 5 ay mga divisors para sa numerong 15, ayon sa pagkakabanggit, ang multiplier para sa nitrogen ay 5, at para sa phosphorus 3): 5N +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- Idagdag ang mga nagresultang kalahating reaksyon ayon sa kaliwa at kanang bahagi: 5N+5 + 3P0=5N + 2 - ika-15=3Р+5. Kung gagawin nang tama ang lahat sa yugtong ito, liliit ang mga electron.
- Isulat muli nang buo ang equation, ibinababa ang mga coefficient ayon sa electronic balance ng redox reaction: 5HNO3 + 3P + H2 O=3H 3PO4 + 5NO.
- Suriin kung ang bilang ng mga elemento bago at pagkatapos ng reaksyon ay nananatiling pareho sa lahat ng dako, at kung kinakailangan, magdagdag ng mga coefficient sa harap ng iba pang mga sangkap (sa halimbawang ito, ang dami ng hydrogen at oxygen ay hindi pantay, upang ang reaksyon equation upang magmukhang tama, kailangan mong magdagdag ng isang koepisyent sa harap ngtubig): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5NO.
Ang ganitong simpleng paraan ay nagbibigay-daan sa iyong mailagay nang tama ang mga coefficient at maiwasan ang pagkalito.
Mga halimbawa ng mga reaksyon
Isang nagpapakitang halimbawa ng redox reaction ay ang interaksyon ng manganese sa concentrated sulfuric acid, na nagpapatuloy sa mga sumusunod:
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
Ang reaksyon ng redox ay nagpapatuloy sa pagbabago sa mga estado ng oksihenasyon ng manganese at sulfur. Bago ang pagsisimula ng proseso, ang manganese ay nasa unbound state at nagkaroon ng zero oxidation state. Ngunit kapag nakikipag-ugnayan sa sulfur, na bahagi ng acid, pinataas nito ang estado ng oksihenasyon sa +2, kaya kumikilos bilang isang donor ng elektron. Ang sulfur, sa kabaligtaran, ay gumanap bilang isang acceptor, na nagpapababa sa estado ng oksihenasyon mula +6 hanggang +4.
Gayunpaman, mayroon ding mga reaksyon kung saan ang manganese ay nagsisilbing electron acceptor. Halimbawa, ito ang pakikipag-ugnayan ng oxide nito sa hydrochloric acid, na nagpapatuloy ayon sa reaksyon:
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
Ang redox reaction sa kasong ito ay nagpapatuloy sa pagbaba ng oxidation state ng manganese mula +4 hanggang +2 at pagtaas ng oxidation state ng chlorine mula -1 hanggang 0.
Noon, ang oksihenasyon ng sulfur oxide na may nitrogen oxide sa pagkakaroon ng tubig, na gumawa ng 75% sulfuric acid, ay may malaking praktikal na kahalagahan:
SO2 + HINDI2 + H2O=HINDI + H2So4.
Ang reaksyon ng redox ay isinasagawa noon sa mga espesyal na tore, at ang huling produkto ay tinawag na tore. Ngayon ang pamamaraang ito ay malayo sa isa lamang sa paggawa ng acid, dahil mayroong iba pang mga modernong pamamaraan, halimbawa, makipag-ugnay gamit ang mga solid catalyst. Ngunit ang pagkuha ng acid sa pamamagitan ng redox reaction method ay hindi lamang pang-industriya, kundi pati na rin sa makasaysayang kahalagahan, dahil ito ay isang tiyak na proseso na kusang naganap sa himpapawid ng London noong Disyembre 1952.
Ang anticyclone pagkatapos ay nagdala ng hindi pangkaraniwang malamig na panahon, at ang mga taong bayan ay nagsimulang gumamit ng maraming karbon upang mapainit ang kanilang mga tahanan. Dahil ang mapagkukunang ito ay hindi maganda ang kalidad pagkatapos ng digmaan, ang isang malaking halaga ng sulfur dioxide ay puro sa hangin, na tumutugon sa kahalumigmigan at nitrogen oxide sa kapaligiran. Bilang resulta ng hindi pangkaraniwang bagay na ito, tumaas ang dami ng namamatay sa mga sanggol, matatanda at mga dumaranas ng mga sakit sa paghinga. Ang kaganapan ay binigyan ng pangalan ng Great Smog.
Kaya, ang mga reaksiyong redox ay may malaking praktikal na kahalagahan. Ang pag-unawa sa kanilang mekanismo ay nagbibigay-daan sa iyong mas maunawaan ang mga natural na proseso at makamit ang mga bagong substance sa laboratoryo.
