Նոր միացությունների առաջացմամբ մի նյութի փոխակերպումը մյուսի կոչվում է քիմիական ռեակցիա: Այս գործընթացի ըմբռնումը մեծ նշանակություն ունի մարդկանց կյանքի համար, քանի որ դրա օգնությամբ դուք կարող եք ստանալ հսկայական քանակությամբ անհրաժեշտ և օգտակար նյութեր, որոնք բնության մեջ կան փոքր քանակությամբ կամ ընդհանրապես գոյություն չունեն իրենց բնական տեսքով: Ամենակարևոր սորտերից են ռեդոքս ռեակցիաները (կրճատ՝ OVR կամ ռեդոքս)։ Դրանք բնութագրվում են ատոմների կամ իոնների օքսիդացման վիճակների փոփոխությամբ։
Ռեակցիայի ընթացքում տեղի ունեցող գործընթացներ
Ռեակցիայի ընթացքում տեղի է ունենում երկու գործընթաց՝ օքսիդացում և վերականգնում։ Դրանցից առաջինը բնութագրվում է էլեկտրոնների նվիրաբերմամբ՝ վերականգնող նյութերի (դոնորների) կողմից՝ դրանց օքսիդացման վիճակի ավելացմամբ, երկրորդը՝ էլեկտրոնների ավելացմամբ օքսիդացնող նյութերի (ընդունիչների) կողմից՝ դրանց օքսիդացման վիճակի նվազմամբ։ Առավել տարածված վերականգնող նյութերը մետաղներն են և ոչ մետաղական միացությունները, որոնք գտնվում են ամենացածր օքսիդացման վիճակում (ջրածնի սուլֆիդ, ամոնիակ): բնորոշՕքսիդացնող նյութերն են հալոգենները, ազոտը, թթվածինը, ինչպես նաև այն նյութերը, որոնք պարունակում են ամենաբարձր օքսիդացման վիճակում գտնվող տարր (ազոտական կամ ծծմբաթթու): Ատոմները, իոնները, մոլեկուլները կարող են նվիրաբերել կամ ձեռք բերել էլեկտրոններ։
Մինչև 1777 թվականը ենթադրվում էր, որ օքսիդացումը հանգեցնում է անտեսանելի այրվող նյութի կորստի, որը կոչվում է ֆլոգիստոն: Այնուամենայնիվ, Ա. Լավուազիեի ստեղծած այրման տեսությունը գիտնականներին համոզեց, որ օքսիդացում տեղի է ունենում թթվածնի հետ փոխազդեցության ժամանակ, իսկ կրճատումը տեղի է ունենում ջրածնի ազդեցության ներքո։ Միայն որոշ ժամանակ անց պարզ դարձավ, որ ոչ միայն ջրածինը և թթվածինը կարող են ազդել ռեդոքս ռեակցիաների վրա։
Օքսիդացում
Օքսիդացման գործընթացը կարող է տեղի ունենալ հեղուկ և գազային փուլերում, ինչպես նաև պինդ մարմինների մակերեսին: Հատուկ դեր է խաղում էլեկտրաքիմիական օքսիդացումը, որը տեղի է ունենում լուծույթներում կամ հալեցնում է անոդում (էլեկտրոդ, որը միացված է էներգիայի աղբյուրի դրական բևեռին): Օրինակ, երբ ֆտորիդները հալեցնում են էլեկտրոլիզով (էլեկտրոդների վրա նյութի տարրալուծումը իր բաղկացուցիչ տարրերի), ստացվում է ամենաուժեղ անօրգանական օքսիդացնող նյութը՝ ֆտորը։
։
Օքսիդացման մեկ այլ դասական օրինակ է օդում այրումը և մաքուր թթվածինը: Այս գործընթացին ունակ են տարբեր նյութեր՝ մետաղներ և ոչ մետաղներ, օրգանական և անօրգանական միացություններ։ Գործնական նշանակություն ունի վառելիքի այրումը, որը հիմնականում իրենից ներկայացնում է ածխաջրածինների բարդ խառնուրդ փոքր քանակությամբ թթվածնի, ծծմբի, ազոտի և այլ տարրերի հետ։
Դասական օքսիդիչ –թթվածին
Պարզ նյութը կամ քիմիական միացությունը, որտեղ ատոմները միացնում են էլեկտրոնները, կոչվում է օքսիդացնող նյութ: Նման նյութի դասական օրինակ է թթվածինը, որը ռեակցիայից հետո վերածվում է օքսիդների։ Բայց նաև օքսիդացնող նյութ է օզոնը, որը վերածվում է օրգանական նյութերի (օրինակ՝ կետոններ և ալդեհիդներ), պերօքսիդներ, հիպոքլորիտներ, քլորատներ, ազոտային և ծծմբաթթուներ, մանգանի օքսիդ և պերմանգանատ: Հեշտ է տեսնել, որ այս բոլոր նյութերը պարունակում են թթվածին։
Այլ սովորական օքսիդիչներ
Սակայն ռեդոքս ռեակցիան միայն թթվածին պարունակող գործընթաց չէ: Փոխարենը հալոգենները, քրոմը և նույնիսկ մետաղական կատիոնները և ջրածնի իոնը (եթե ռեակցիայի արդյունքում այն վերածվում է պարզ նյութի) կարող են հանդես գալ որպես օքսիդացնող նյութ։
Քանի էլեկտրոն կընդունվի մեծապես կախված է օքսիդացնող նյութի կոնցենտրացիայից, ինչպես նաև նրա հետ փոխազդող մետաղի ակտիվությունից: Օրինակ՝ խտացված ազոտական թթվի ռեակցիայի ժամանակ մետաղի (ցինկ) հետ կարելի է ընդունել 3 էլեկտրոն, իսկ նույն նյութերի փոխազդեցության դեպքում՝ պայմանով, որ թթուն շատ նոսր վիճակում է՝ արդեն 8 էլեկտրոն։
Ամենաուժեղ օքսիդիչներ
Բոլոր օքսիդացնող նյութերը տարբերվում են իրենց հատկությունների ուժով: Այսպիսով, ջրածնի իոնն ունի ցածր օքսիդացման ունակություն, մինչդեռ ատոմային քլորը, որը ձևավորվում է ջրային ռեգիաում (ազոտային և աղաթթուների խառնուրդ 1:3 հարաբերակցությամբ), կարող է օքսիդացնել նույնիսկ ոսկին և պլատինը:
Խտացված սելենաթթուն ունի նմանատիպ հատկություններ: Սա եզակի է դարձնում այլ օրգանական թթուների մեջ: Երբ նոսրացվում է, այն ի վիճակի չէ փոխազդելու ոսկու հետ, բայց այն դեռ ավելի ուժեղ է, քան ծծմբաթթուն և կարող է նույնիսկ օքսիդացնել այլ թթուներ, օրինակ՝ աղաթթուն:
Ուժեղ օքսիդացնող նյութի մեկ այլ օրինակ է կալիումի պերմանգանատը: Այն հաջողությամբ փոխազդում է օրգանական միացությունների հետ և կարողանում է կոտրել ամուր ածխածնային կապերը: Բարձր ակտիվություն ունեն նաև պղնձի օքսիդը, ցեզիումի օզոնիդը, ցեզիումի սուպերօքսիդը, ինչպես նաև քսենոն դիֆտորիդը, տետրաֆտորիդը և քսենոն հեքսաֆտորիդը։ Նրանց օքսիդացման ունակությունը պայմանավորված է էլեկտրոդների բարձր ներուժով, երբ արձագանքում է նոսր ջրային լուծույթում:
Սակայն կան նյութեր, որոնցում այս պոտենցիալն էլ ավելի մեծ է։ Անօրգանական մոլեկուլների մեջ ֆտորը ամենաուժեղ օքսիդացնող նյութն է, սակայն այն ի վիճակի չէ ազդել իներտ գազի քսենոնի վրա՝ առանց լրացուցիչ ջերմության և ճնշման։ Բայց դա հաջողությամբ հաղթահարվում է պլատինի հեքսաֆտորիդով, դիֆտորդիօքսիդով, կրիպտոնի դիֆտորիդով, արծաթի դիֆտորիդով, երկվալենտ արծաթի աղերով և որոշ այլ նյութերով: Օքսիդացման ռեակցիաների եզակի ունակության համար դրանք դասակարգվում են որպես շատ ուժեղ օքսիդիչներ:
Վերականգնում
Սկզբնապես «վերականգնում» տերմինը հոմանիշ էր դեօքսիդացման, այսինքն՝ նյութի թթվածնից զրկելու հետ։ Այնուամենայնիվ, ժամանակի ընթացքում բառը ձեռք բերեց նոր իմաստ, այն նշանակում էր մետաղների արդյունահանում դրանք պարունակող միացություններից, ինչպես նաև ցանկացած քիմիական փոխակերպում, որի ժամանակ.նյութի էլեկտրաբացասական մասը փոխարինվում է դրական լիցքավորված տարրով, ինչպիսին է ջրածինը։
Գործընթացի բարդությունը մեծապես կախված է միացության տարրերի քիմիական մերձեցությունից: Որքան թույլ է այն, այնքան ավելի հեշտ է իրականացվում ռեակցիան։ Որպես կանոն, էնդոթերմային միացություններում մերձությունը ավելի թույլ է (ջերմությունը ներծծվում է դրանց ձևավորման ընթացքում): Նրանց վերականգնումը բավականին պարզ է. Դրա վառ օրինակն են պայթուցիկները։
Էկզոթերմիկ միացություններով (ջերմության արտազատմամբ առաջացած) ռեակցիայի համար պետք է կիրառվի էներգիայի ուժեղ աղբյուր, ինչպիսին է էլեկտրական հոսանքը:
Ստանդարտ նվազեցնող միջոցներ
Ամենահին և տարածված վերականգնող նյութը ածուխն է: Այն խառնվում է հանքաքարի օքսիդներին, տաքացնելիս խառնուրդից թթվածին է արտազատվում, որը միանում է ածխածնի հետ։ Արդյունքը փոշի, հատիկներ կամ մետաղական համաձուլվածք է։
Մյուս տարածված վերականգնող նյութը ջրածինն է: Այն կարող է օգտագործվել նաև մետաղներ արդյունահանելու համար: Դրա համար օքսիդները խցանվում են խողովակի մեջ, որով ջրածնի հոսք է անցնում: Հիմնականում այս մեթոդը կիրառվում է պղնձի, կապարի, անագի, նիկելի կամ կոբալտի վրա: Դուք կարող եք այն կիրառել երկաթի վրա, բայց կրճատումը թերի կլինի, և ջուրը ձևավորվում է: Նույն խնդիրը նկատվում է ցինկի օքսիդները ջրածնով մշակելիս, և այն ավելի է սրվում մետաղի անկայունությամբ։ Կալիումը և որոշ այլ տարրեր ընդհանրապես չեն կրճատվում ջրածնով։
Ռեակցիաների առանձնահատկությունները օրգանական քիմիայում
Ընթացքի մեջ էվերականգնող մասնիկը ընդունում է էլեկտրոններ և դրանով իսկ նվազեցնում իր ատոմներից մեկի օքսիդացման թիվը։ Սակայն ռեակցիայի էությունը հարմար է որոշել անօրգանական միացությունների մասնակցությամբ օքսիդացման վիճակը, մինչդեռ օրգանական քիմիայում դժվար է օքսիդացման թիվը հաշվարկել, այն հաճախ ունի կոտորակային արժեք։
Օրգանական նյութերի հետ կապված ռեդոքս ռեակցիաներում նավարկելու համար հարկավոր է հիշել հետևյալ կանոնը. կրճատումը տեղի է ունենում, երբ միացությունը թողնում է թթվածնի ատոմները և ստանում ջրածնի ատոմներ, և հակառակը, օքսիդացումը բնութագրվում է թթվածնի ավելացմամբ:
Ռեդեցումը մեծ գործնական նշանակություն ունի օրգանական քիմիայի համար։ Հենց նա է ընկած լաբորատոր կամ արդյունաբերական նպատակներով օգտագործվող կատալիտիկ հիդրոգենացման հիմքում, մասնավորապես՝ նյութերի և համակարգերի մաքրման համար ածխաջրածինից և թթվածնային կեղտից։
Ռեակցիան կարող է ընթանալ ինչպես ցածր ջերմաստիճաններում և ճնշումներում (համապատասխանաբար մինչև 100 աստիճան Ցելսիուս և 1-4 մթնոլորտ), այնպես էլ բարձր ջերմաստիճաններում (մինչև 400 աստիճան և մի քանի հարյուր մթնոլորտ): Օրգանական նյութերի արտադրությունը պահանջում է բարդ գործիքներ՝ ճիշտ պայմաններ ապահովելու համար։
Ակտիվ պլատինի խմբի մետաղները կամ ոչ թանկարժեք նիկելը, պղինձը, մոլիբդենը և կոբալտը օգտագործվում են որպես կատալիզատորներ։ Վերջին տարբերակն ավելի խնայող է։ Վերականգնումը տեղի է ունենում սուբստրատի և ջրածնի միաժամանակյա կլանման շնորհիվ՝ նրանց միջև ռեակցիայի հեշտացմամբ:
Նվազեցման ռեակցիաները շարունակվում ենև մարդու մարմնի ներսում: Որոշ դեպքերում դրանք կարող են օգտակար և նույնիսկ կենսական նշանակություն ունենալ, որոշ դեպքերում դրանք կարող են հանգեցնել լուրջ բացասական հետևանքների։ Օրինակ՝ օրգանիզմում ազոտ պարունակող միացությունները վերածվում են առաջնային ամինների, որոնք, ի թիվս այլ օգտակար գործառույթների, կազմում են սպիտակուցային նյութեր, որոնք հյուսվածքների շինանյութն են։ Միևնույն ժամանակ, անիլինով ներկված մթերքները արտադրում են թունավոր միացություններ։
Ռեակցիաների տեսակները
Ինչ տեսակի ռեդոքս ռեակցիաներ, պարզ է դառնում, եթե նայեք օքսիդացման վիճակների փոփոխությունների առկայությանը: Բայց այս տեսակի քիմիական փոխակերպման մեջ կան տատանումներ:
Այսպիսով, եթե փոխազդեցությանը մասնակցում են տարբեր նյութերի մոլեկուլներ, որոնցից մեկը ներառում է օքսիդացնող ատոմ, իսկ մյուսը՝ վերականգնող նյութ, ռեակցիան համարվում է միջմոլեկուլային։ Այս դեպքում ռեդոքս ռեակցիայի հավասարումը կարող է լինել հետևյալը՝
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
Հավասարումը ցույց է տալիս, որ երկաթի և ջրածնի օքսիդացման վիճակները փոխվում են, մինչդեռ դրանք տարբեր նյութերի մաս են կազմում:
Բայց կան նաև ներմոլեկուլային ռեդոքս ռեակցիաներ, որոնցում քիմիական միացության մի ատոմը օքսիդանում է, իսկ մյուսը՝ վերականգնվում, և ստացվում են նոր նյութեր:
2H2O=2H2 + O2.
Ավելի բարդ գործընթաց է տեղի ունենում, երբ նույն տարրը հանդես է գալիս որպես էլեկտրոնների դոնոր և ընդունող և ձևավորում է մի քանի նոր միացություններ, որոնք ներառված են տարբեր օքսիդացման վիճակներում: Նման գործընթացը կոչվում էդիսմուտացիա կամ անհամաչափություն. Դրա օրինակն է հետևյալ փոխակերպումը.
4KClO3=KCl + 3KClO4.
Օքսիդացման ռեակցիայի վերը նշված հավասարումից երևում է, որ Բերտոլեի աղը, որի մեջ քլորը գտնվում է +5 օքսիդացման վիճակում, քայքայվում է երկու բաղադրիչի՝ կալիումի քլորիդը՝ քլորի օքսիդացման աստիճանով -1 և. պերքլորատ՝ +7 օքսիդացման թվով։ Պարզվում է, որ նույն տարրը միաժամանակ ավելացել և իջեցրել է իր օքսիդացման աստիճանը։
Դիմուտացիայի գործընթացի հակառակը համաչափության կամ վերհամաչափության ռեակցիան է: Նրանում երկու միացություններ, որոնք պարունակում են նույն տարրը տարբեր օքսիդացման վիճակներում, փոխազդում են միմյանց հետ՝ առաջացնելով նոր նյութ մեկ օքսիդացման համարով՝
SO2 +2H2S=3S + 2H2O.
Ինչպես երևում է վերը նշված օրինակներից, որոշ հավասարումների մեջ նյութին նախորդում են թվեր: Նրանք ցույց են տալիս գործընթացում ներգրավված մոլեկուլների քանակը և կոչվում են ռեդոքս ռեակցիաների ստոյխիոմետրիկ գործակիցներ։ Որպեսզի հավասարումը ճիշտ լինի, դուք պետք է իմանաք, թե ինչպես դրանք դասավորել:
Էլեկտրոնային հաշվեկշռի մեթոդ
Օքսիդացման ռեակցիաների հավասարակշռությունը միշտ պահպանվում է: Սա նշանակում է, որ օքսիդացնող նյութը ընդունում է ճիշտ այնքան էլեկտրոն, որքան տրվել է վերականգնող նյութի կողմից: Redox ռեակցիայի համար ճիշտ հավասարում կազմելու համար դուք պետք է հետևեք այս ալգորիթմին՝
- Որոշեք տարրերի օքսիդացման աստիճանները ռեակցիայից առաջ և հետո: Օրինակ, մեջջրի առկայության դեպքում ազոտաթթվի և ֆոսֆորի միջև ռեակցիան առաջացնում է ֆոսֆորաթթու և ազոտի օքսիդ՝ HNO3 + P + H2O=H3PO4 + NO. Ջրածինը բոլոր միացություններում ունի +1 օքսիդացման աստիճան, իսկ թթվածինը` -2: Ազոտի համար, մինչ ռեակցիան սկսվելը, օքսիդացման թիվը +5 է, իսկ դրանից հետո +2, ֆոսֆորի համար՝ համապատասխանաբար 0 և +5։
- Նշեք այն տարրերը, որոնցում փոխվել է օքսիդացման թիվը (ազոտ և ֆոսֆոր):
- Կազմել էլեկտրոնային հավասարումներ՝ N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- Հավասարեցրե՛ք ստացված էլեկտրոնների թիվը՝ ընտրելով ամենափոքր ընդհանուր բազմապատիկը և հաշվարկելով բազմապատկիչը (3 և 5 թվերը համապատասխանաբար 15 թվի բաժանարարներ են, ազոտի համար բազմապատկիչը 5 է, իսկ ֆոսֆորի համար՝ 3): 5N. +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- Ավելացրե՛ք ստացված կիսա-ռեակցիաները ըստ ձախ և աջ մասերի՝ 5N+5 + 3P0=5N+5 + 2 - 15-րդ=3Р+5: Եթե այս փուլում ամեն ինչ ճիշտ արվի, էլեկտրոնները կփոքրանան:
- Վարագրեք հավասարումն ամբողջությամբ՝ դնելով գործակիցները՝ ըստ ռեդոքսի ռեակցիայի էլեկտրոնային հաշվեկշռի. 5HNO3 + 3P + H2 O=3H 3PO4 + 5NO.
- Ստուգեք՝ արդյոք ռեակցիայից առաջ և հետո տարրերի թիվը ամենուր նույնն է մնում, և անհրաժեշտության դեպքում ավելացրեք գործակիցներ այլ նյութերի դիմաց (այս օրինակում ջրածնի և թթվածնի քանակը չի հավասարվել, որպեսզի ռեակցիայի հավասարումը ճիշտ տեսք ունենալու համար հարկավոր է դրա դիմաց գործակից ավելացնելջուր): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5NO.
Այսպիսի պարզ մեթոդը թույլ է տալիս ճիշտ տեղադրել գործակիցները և խուսափել շփոթությունից:
Ռեակցիաների օրինակներ
Օքսիդոքս ռեակցիայի պատկերավոր օրինակ է մանգանի փոխազդեցությունը խտացված ծծմբաթթվի հետ, որն ընթանում է հետևյալ կերպ.
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
Օքսիդացման ռեակցիան ընթանում է մանգանի և ծծմբի օքսիդացման վիճակների փոփոխությամբ: Մինչ գործընթացի մեկնարկը մանգանը գտնվում էր չկապված վիճակում և ուներ զրոյական օքսիդացման վիճակ: Բայց թթվի մաս կազմող ծծմբի հետ փոխազդելիս այն բարձրացրել է օքսիդացման վիճակը մինչև +2՝ այդպիսով հանդես գալով որպես էլեկտրոնի դոնոր։ Ծծումբը, ընդհակառակը, ակցեպտորի դեր է կատարել՝ իջեցնելով օքսիդացման վիճակը +6-ից +4-ի։
Սակայն կան նաև ռեակցիաներ, որոնցում մանգանը հանդես է գալիս որպես էլեկտրոն ընդունող: Օրինակ, սա նրա օքսիդի փոխազդեցությունն է աղաթթվի հետ, որն ընթանում է ըստ ռեակցիայի՝
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
Օքսիդացման ռեակցիան այս դեպքում ընթանում է մանգանի օքսիդացման աստիճանի նվազմամբ +4-ից +2-ի և քլորի օքսիդացման աստիճանի բարձրացմամբ -1-ից մինչև 0։
Նախկինում մեծ կիրառական նշանակություն ուներ ծծմբի օքսիդի օքսիդացումը ազոտի օքսիդով ջրի առկայությամբ, որն առաջացնում էր 75% ծծմբաթթու:
SO2 + NO2 + H2O=NO + H2So4.
Օքսիդացման ռեակցիան նախկինում իրականացվում էր հատուկ աշտարակներում, իսկ վերջնական արտադրանքը կոչվում էր աշտարակ: Այժմ այս մեթոդը հեռու է միակից թթվի արտադրության մեջ, քանի որ կան այլ ժամանակակից մեթոդներ, օրինակ՝ կոնտակտ՝ օգտագործելով պինդ կատալիզատորներ։ Բայց ռեդոքս ռեակցիայի մեթոդով թթու ստանալը ոչ միայն արդյունաբերական, այլև պատմական նշանակություն ունի, քանի որ հենց այդպիսի պրոցես է տեղի ունեցել 1952 թվականի դեկտեմբերին Լոնդոնի օդում ինքնաբերաբար։
։
Անցիկլոնն այնուհետ բերեց անսովոր ցուրտ եղանակ, և քաղաքաբնակները սկսեցին մեծ քանակությամբ ածուխ օգտագործել իրենց տները տաքացնելու համար: Քանի որ պատերազմից հետո այս ռեսուրսն անորակ էր, օդում մեծ քանակությամբ ծծմբի երկօքսիդ էր կուտակվել, որը մթնոլորտում արձագանքում էր խոնավության և ազոտի օքսիդի հետ։ Այս երեւույթի հետեւանքով աճել է նորածինների, տարեցների եւ շնչառական հիվանդություններով տառապողների մահացությունը։ Միջոցառմանը տրվել է Մեծ Սմոգի անվանումը։
Այսպիսով, ռեդոքս ռեակցիաները մեծ գործնական նշանակություն ունեն: Նրանց մեխանիզմը հասկանալը թույլ է տալիս ավելի լավ հասկանալ բնական գործընթացները և լաբորատորիայում նոր նյութեր ձեռք բերել։
