Реакции окисления восстановления

Введение

С основной и изначальной точки зрения, окисление – это процесс химического характера, что сопровождается увеличением степени атомарного окисления вещества, которое ему подвергается. Это явление происходит, благодаря передаче электронов от одного атома (восстановителя и донора) до второго (акцептора и окислителя).

Данная терминологическая единица была введена в оборот химии в начале XIX века, а сделал это академик В.М. Севергин для создания обозначения, указывающего на взаимодействие веществ с кислородом из атмосферного воздуха.

В некоторых случаях окисление молекулы сопровождается созданием нестабильности в структуре вещества и приводит к его распаду на молекулы, обладающие большей стабильностью и маленькими размерами. Дело в том, что данный процесс повторяться может на нескольких разных уровнях измельчения. То есть, образованная более маленькая частица может также обладать более высокой степенью окисления, чем атомарные частички, что были исходными в том же веществе, но крупнее и стабильнее.

В химии есть понятие низшей и высшей степени окисления. Это позволяет классифицировать атомы по возможности их проявлять данное свойство. Высшая окислительная степень соответствует номеру группы, в котором находится элемент. Низшая степень, как правило, определяется по соответствию четного и нечетного числа: высшая 8 = низшая 2, высшая 7 = низшая 1.

Охрана атмосферы

В результате деятельности человека происходит загрязнение атмосферы самыми различными веществами, многие из которых ядовиты для человека, животных и растений. Изменение состава атмосферы приводит к ослаблению здоровья населения, снижению продолжительности жизни, распространению болезней. Это особенно заметно в больших городах, где атмосфера загрязняется газовыми выбросами промышленных предприятий и автомобильного транспорта.

В состав почти всех известных традиционных видов топлива входят вещества, при сгорании которых образуются не только СО₂ и Н₂О. При неполном сгорании топлива может образовываться весьма ядовитый угарный газ (СО). Также очень неблагоприятны для человека продукты сгорания соединений, содержащих атомы серы и азота, которыми являются оксиды серы (SO₂) и азота (NO, NO₂).

Для улучшения качества бензина в него добавляют соединения свинца. При сгорании такого бензина в окружающую среду выбрасывается большое количество ядовитых для человека веществ, содержащих свинец.

На сжигание различных видов топлива потребляется огромное количество кислорода. Так, в течение 1 ч. полета реактивный самолет (рис. 91) потребляет количество кислорода, вырабатываемое лесом площадью 1 га. за месяц.

Смог (рис. 92) — это туман, смешанный с пылью и сажей и содержащий продукты взаимодействия оксидов серы и азота с водой.

Кислотные дожди. Дождевая вода более кислая, чем обычная, так как в ней содержатся вещества, называемые кислотами. Они образуются при взаимодействии оксидов серы и азота с парами воды.

Парниковый эффект (рис. 93) возникает в результате повышения температуры воздуха за счет накопления в атмосфере некоторых газов, называемых парниковыми. Основным парниковым газом является углекислый газ. В результате парникового эффекта повышается температура воздуха в нижних слоях атмосферы, происходит изменение климата, возможны таяния ледников, наводнения.

Поскольку атмосфера у всех народов Земли общая, разные государства предпринимают совместные меры по ее защите от вредных выбросов. Для этого на заводах устанавливаются очистительные установки, совершенствуются системы очистки выхлопных газов автотранспорта, разрабатываются новые экологически чистые производства и виды транспорта.

Уменьшить влияние химических веществ на природу, здоровье людей возможно, только сделав самые тщательные исследования источников и состава ядовитых соединений. Химия как наука позволяет человеку найти пути решения указанных выше проблем охраны атмосферы.

Краткие выводы урока:

1. Окисление — химическая реакция, в результате которой атомы кислорода присоединяются к атомам других элементов.
2. Топливо — это вещество, которое горит с выделением тепловой энергии.
3. Основными видами топлива являются каменные и бурые угли, торф, древесина, нефть и природный газ.
4. Сжигание различных видов топлива приводит к таким неблагоприятным последствиям, как смог, кислотные дожди и парниковый эффект.

Надеюсь урок 20 «Окислительные процессы» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к следующему уроку.

Химия — это просто

Популярно о химии

· Что такое химия
· Периодическая таблица

ОБЩАЯ ХИМИЯ

Вещества и смеси

Атомы и молекулы

Строение веществ

Взаимодействие веществ

· Виды химических реакций
· Уравнения химических реакций
· Классификации химических реакций
· Баланс химических реакций
· Химическое равновесие
· Скорость химических реакций
· Окислительно-восстановительные реакции
· Составление уравнений ОВР
· Тепловой эффект реакции
· Закон Гесса
· Электрохимические элементы
· Кислоты и основания
· Сильные кислоты и основания
· Слабые кислоты и основания
· Кислотно-основные реакции
· Индикаторы
· Водородный показатель pH

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Примечания

1. В этом, как и во многих других случаях водород рассматривают как помещённый в VII группе периодической системы химических элементов над галогенами-окислителями.
2. Несущественно, переходят ли электроны с одного атома на другой вполне (ионная связь) или же только более или менее оттягиваются (полярная ковалентная связь). Поэтому в данном случае мы будем говорить об отдаче или присоединении электронов независимо от действительного типа валентной связи. В общем, окислительно-восстановительные процессы можно определить как реакции, связанные с переходом электронов от одних атомов к другим. То есть валентности в этих реакциях выступают как степени окисления. Более строго, в узком смысле под степенью окисления имеется в виду в том числе и валентности.
3.  (недоступная ссылка). Химия и химическая технология в жизни (10.07.2013). Дата обращения 19 января 2015.

Расстановка коэффициентов

методом
электронного баланса (МЭБ)

Последовательность
действий при использовании МЭБ следующая:

• выделяем
  атомы, элементы которых в исходных
  веществах и продуктах реакции изменяют
  степень окисления,

• составляем
  электронный баланс присоединения и
  отдачи электронов, по исходным веществам
  (для ОВР межмолекулярного гида), или по
  конечным продуктам (для ОВР
  внутримолекулярного
  типа и реакций диспропорционирования);

• находим
  коэффициенты, которые нужно поставить
  перед формулами веществ, где атомы
  изменили степень окисления. Для этого
  сначала находим наименьшее общее
  кратное для чисел отданных и присоединенных
  электронов. Соответствующие коэффициенты
  определяем путем деления наименьшего
  общего кратного на эти числа;

• расставляем
  найденные коэффициенты сначала перед
  формулами веществ, в которых атомы
  изменили степень окисления, а затем
  перед формулами оставшихся веществ;

• проверяем
  правильность нахождения коэффициентов.
  Обычно это делают по кислороду.

Рассмотрим примеры
расстановки коэффициентов в уравнениях
ОВР по МЭБ.

Пример
1.
Расставьте коэффициенты в схеме ОВР:

Конечное
уравнение
этой
реакции:

4FeS₂
+11О₂2Fe₂O₃+8SO_2.

Пример
2.
Расставьте коэффициенты в схеме ОВР:

.

Марганец
в КМnO₄
находится в высшей степени окисления
(+7), значит, КМnO₄
– окислитель. Продукты его восстановления
зависят от кислотности среды, что можно
показать схемой:

.

В
данном примере реакция идет в кислой
среде, значит, продукт восстановления
перманганата калия – ион Мn2+.
Восстановителем будет ион Fe2+,
который окисляется до Fe3+:

.

Основными
коэффициентами уравнения будут 1
и 5, но в результате
реакции образуется соль Fe₂(SO4)₃,
которая
содержит два иона Fe
(III),
поэтому
основные коэффициенты нужно удвоить.
Подставляем эти коэффициенты сначала
в левую, а
потом
в правую часть
схемы реакция,
далее подбираем остальные коэффициенты:

.

Пример
3.
Расставьте коэффициенты в схеме ОВР:

.

Данная
реакция относится к реакциям
внутримолекулярного окисления-восстановления.

Определяем
элементы, атомы которых изменили степень
окисления. В данном случае это азот и
кислород.

Записываем
электронные уравнения процессов
окисления и восстановления:

Основными
коэффициентами уравнения будут (1) и
(4), но вступает в реакцию соль Fe(NО₃)₃,
которая содержит три атома N+5,
поэтому основные коэффициенты нужно
утроить. Подставляем эти коэффициенты
(12)
и
(3) сначала в левую часть.

Конечное уравнение
этой реакции:

.

Пример
4.
Расставьте коэффициенты в схемах ОВР
с участием пероксида водорода.

В
молекуле Н₂О₂
атомы кислорода имеют степень окисления
(–1), которая является промежуточной
между наиболее характерными для кислорода
значениями (–2) и (0). Поэтому пероксид
водорода в разных условиях может быть
как окислителем, так и восстановителем.

Уравнения
соответствующих реакций
окисления-восстановления с участием
Н₂О₂
записываем так:

Н₂О₂-окислитель

Н₂О₂-восстановитель

Что такое окисление

окисление может быть определено как потеря электронов от атома, молекулы или иона. Эта потеря электронов приводит к увеличению степени окисления химических частиц. Поскольку реакция окисления высвобождает электроны, должны быть частицы, принимающие электроны. Следовательно, реакция окисления является половинной реакцией основной реакции. Окисление химического вещества определяется как изменение его окислительных состояний. Состояние окисления это число с положительным (+) или отрицательным (-) символом, которое указывает на потерю или усиление электронов конкретным атомом, молекулой или ионом.

В прошлом термину окисление давалось определение «добавление кислорода к соединению». Это было потому, что кислород был единственным известным окислителем в то время. Однако это определение более не является точным, поскольку в отсутствие кислорода происходит гораздо больше реакций окисления. Например, реакция между магнием (Mg) и соляной кислотой (HCl) не требует кислорода, но это окислительно-восстановительная реакция, которая включает окисление Mg в Mg2+, В следующем примере показаны реакции окисления и восстановления в окислительно-восстановительной реакции.

Рисунок 01: Окисление Mg путем добавления кислорода к Mg. Два электрона высвобождаются из Mg, и один атом кислорода получает два электрона.

Есть другое историческое определение для окисления с участием водорода. То есть, окисление — это процесс потери H+ ионы, Это также не является точным, потому что есть много реакций, которые происходят без выделения H+ ионов.

Рисунок 02: Окисление спиртовой группы в карбоновую кислотную группу

Окисление всегда увеличивает степень окисления химического вещества из-за потери электронов. Эта потеря электронов вызывает изменение заряда атома или молекулы.

1. От нулевого до положительного состояния окисления

Молекула или атом, который не имеет электрического заряда (нейтральный), могут быть окислены. Окисление всегда увеличивает степень окисления. Следовательно, новая степень окисления атома будет иметь положительное значение.

Рисунок 03: окисление Fe (0) до Fe (+3)

2. От отрицательного к положительному состоянию окисления

Атом в отрицательной степени окисления может быть окислен до положительной степени окисления.

Рисунок 04: Окисление S (-2) в состояние окисления S (+6)

Рисунок 05: Окисление О (-2) до О2 (0)

4. Увеличение состояния положительного окисления

Этот тип реакций окисления в основном включен с элементами переходного металла, так как эти металлические элементы могут иметь несколько степеней окисления, и они показывают до степени окисления +7 из-за присутствия d-орбиталей.

Рисунок 06: Окисление Fe (+2) до Fe (+3)

Нейтральный атом состоит из протонов (положительно заряженных) в ядре и электронов (отрицательно заряженных) вокруг ядра. Положительный заряд ядра уравновешивается отрицательными зарядами электронов. Но когда электрон удаляется из этой системы, нет отрицательного заряда, чтобы нейтрализовать соответствующий положительный заряд. Тогда атом получает положительный заряд. Поэтому окисление всегда увеличивает положительные характеристики атомов.

Основные реакции окисления жирных кислот по β-механизму

К самому простому типу энергетической утилизации жирных кислот относят β-окисление не имеющих двойных связей цепей, в которых количество углеродных звеньев четное. В качестве субстрата для этого процесса, как уже выше отмечалось, выступает ацил коэнзима А.

Процесс β-окисления жирных кислот состоит из 4 реакций:

1. Дегидрирование — отщепление водорода от β-углеродного атома с возникновением двойной связи между звеньями цепи, находящимися в α и β-положениях (первый и второй атомы). В результате образуется еноил-CoA. Ферментом реакции является ацил-CoA-дегидрогеназа, которая действует в комплексе с кофермента ФАД (последний восстанавливается до ФАДН2).
2. Гидратация — присоединение молекулы воды к еноил-CoA, в результате чего образуется L-β-гидроксиацил-CoA. Осуществляется еноил-CoA-гидратазой.
3. Дегидрирование — окисление продукта предыдущей реакции НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием β-кетоацил-коэнзима А. При этом происходит восстановление НАД до НАДН.
4. Расщепление β-кетоацил-CoA до ацетил-CoA и укороченного на 2 атома углерода ацил-CoA. Реакция осуществляется под действием тиолазы. Обязательным условием является присутствие свободного HS-CoA.

Затем все снова начинается с первой реакции.

Цикличное повторение всех стадий осуществляется до тех пор, пока вся углеродная цепочка жирной кислоты не превратится в молекулы ацетил-коэнзима А.

Особенности окисления в пероксисомах

В пероксисомах окисление жирных кислот происходит по бета-механизму, который подобен, но не идентичен митохондриальному. Он также состоит из 4-х стадий, завершающихся образованием продукта в виде ацетил-CoA, но при этом имеет несколько ключевых отличий. Так, водород, отщепившийся на стадии дегидрирования, не восстанавливает ФАД, а переходит на кислород с образованием перикиси водорода. Последний сразу подвергается расщеплению под действием каталазы. В результате энергия, которая могла быть использована для синтеза АТФ в дыхательной цепи, рассеивается в виде тепла.

Второе важное различие заключается в том, что некоторые ферменты пероксисом специфичны к определенным малораспространенным жирным кислотам и отсутствуют в митохондриальном матриксе. Особенность пероксисом клеток печени заключается в том, что там отсутствует ферментный аппарат цикла Кребса

Поэтому в результате бета-окисления образуются короткоцепочечные продукты, которые для окисления транспортируются в митохондрии

Особенность пероксисом клеток печени заключается в том, что там отсутствует ферментный аппарат цикла Кребса. Поэтому в результате бета-окисления образуются короткоцепочечные продукты, которые для окисления транспортируются в митохондрии.

13.2. Окислительные агенты и техника безопасности в процессах окисления

В лабораторной
практике и процессах тонкого органического
синтеза часто применяют различные
неорганические окислители, такие как
KMnO₄,K₂Cr₂O₇,Na₂Cr₂O₇,MnO₂,FeCl₃,CuCl₂,PbO₂,SeO₂и некоторые
другие. Эти окислители характеризуются
различными окислительно-восстановительными
потенциалами, лежащими в достаточно
широком диапазоне значений. Их можно
использовать для проведения селективного
окисления. Недостатком указанных
окислителей является их достаточно
высокая стоимость, а также необходимость
подбора оптимальных условий и технологии
в каждом конкретном случае. Важным
моментом здесь является и решение
экологических проблем, связанных с
утилизацией металлосодержащих отходов
(твердых и жидких).

В связи с этим при
организации крупнотоннажных производств
и при создании новых производств
стараются использовать более дешевые
окислители. В первую очередь к подобным
окислителям относятся воздух и технический
кислород, которые используют в процессах
гомогенного и гетерогенного каталитического
окисления.

Вторым, по масштабам
применения, окислительным агентом
является азотная кислота. При ее
использовании возможно протекание
побочных процессов, в частности нитрование
органических соединений, чему способствует
повышение концентрации азотной кислоты.
Поэтому на практике используют 40-60%-ную
азотную кислоту. Азотную кислоту нельзя
использовать для окисления парафинов.
В то же время она является удобным
окислителем для спиртов и олефинов.

И, наконец, третьим
окислительным агентом, широко используемым
как в крупнотоннажных производствах,
так и в тонком органическом синтезе
являются пероксиды, в частности пероксид
водорода, Н₂О₂, и надуксусная
кислота, СН₃СО₃Н. Последняя
образуется при действии пероксида
водорода на уксусную кислоту или при
мягком окислении ацтеальдегида. В тонком
органическом синтезе для мягкого
окисления применяется также
мета-хлорнадбензойная кислота.

Техника безопасности
в процессах окисления определяется, в
первую очередь, возможностью образования
взрывоопасных смесей окислительных
агентов и органических соединений.
Очень часто окисление ведется при
высоких температурах, и для предотвращения
возгорания реакционных масс необходима
полная герметизация аппаратов. Все
реакции окисления практически необратимы
и сопровождаются выделением значительного
количества тепла. Поэтому необходима
организация эффективной теплопередачи
с целью поддержания в реакторе оптимальных
температурных условий.

Биохимия окисления жирных кислот в митохондриях

Для удобства процесс митохондриального катаболизма условно подразделяется на 3 этапа:

• активация и транспортировка в митохондрии;
• окисление;
• окисление образовавшегося ацетил-коэнзима А через цикл Кребса и электротранспортную цепь.

Активация представляет собой подготовительный процесс, который переводит жирные кислоты в форму, доступную для биохимических превращений, так как сами по себе эти молекулы инертны. Кроме того, без активации они не могут проникнуть в мембраны митохондрий. Эта стадия протекает у внешней мембраны митохондрий.

Собственно, окисление — ключевой этап процесса. Оно включает четыре стадии, по окончании которых жирная кислота превращается в молекулы Ацетил-КоА. Тот же продукт образуется и при утилизации углеводов, так что дальнейшие этапы аналогичны последним стадиям аэробного гликолиза. Образование АТФ происходит в цепи переноса электронов, где энергия электрохимического потенциала используется для образования макроэргической связи.

В процессе окисления жирной кислоты кроме Ацетил-КоА образуются также молекулы NADH и FADH₂, которые тоже поступают в дыхательную цепь в качестве доноров электронов. В результате суммарный энергетический выход катаболизма липидов достаточно высок. Так, к примеру, окисление пальмитиновой кислоты по β-механизму дает 106 молекул АТФ.

Процесс окисления органических веществ

Если рассуждать логически, то раз процесс полного окисления – это горение, то процесс неполного – это окисление органики, потому что при таком воздействии происходит не воспламенение вещества, а лишь его нагревание (сопровождающееся выделением определённого количества энергии в виде АТФ – аденозинтрифосфата – и теплоты Q).

Реакция органического окисления не слишком замысловата, поэтому её начинают разбирать ещё в начале курса химии, и ученики быстро усваивают информацию, если, конечно, прикладывают хоть какие-нибудь усилия. Мы уже узнали, что это за процесс, и теперь предстоит вникнуть в саму суть дела. Итак, каким образом протекает реакция и что из себя представляет?

Это окислительно-восстановительная реакция, причём в большинстве случаев органическое вещество проявляет восстановительные свойства, а само окисляется. Для каждого задействованного элемента определена своя классификация – он либо восстановитель, либо окислитель, и мы даём название, исходя из результата ОВР.

Важнейшие окислители и восстановители

Все химические элементы можно разделить на два больших класса — элементы с постоянными степенями окисления (такие элементы, как правило, не меняют свою степень окисления в сложных веществах), и элементы с переменной степенью окисления (такие элементы легко отдают или принимают электроны). По этой причине свойства сложных веществ обусловлены наличием в их составе элементов с переменной степенью окисления.

В свою очередь, элементы с переменной степенью окисления подразделяются на три категории:

• элементы с высшей степенью окисления — такие элементы могут только понижать свою степень окисления (участвовать в процессе восстановления), следовательно, вещество, в состав которого входят такие элементы, может выступать только в роли окислителя (присоединять электроны), например, перманганат калия (марганцовка) может быть только окислителем, поскольку марганец в KMnO₄ имеет высшую степень окисления +7.
• элементы с низшей степенью окисления — такие элементы могут только повышать свою степень окисления (участвовать в процесс окисления), следовательно, вещество, в состав которого входят такие элементы, может выступать только в роли восстановителя (отдавать электроны), например, аммиак является восстановителем, поскольку, азот, входящий в состав NH₃, имеет низшую степень окисления -3.
• элементы с промежуточной степенью окисления — такие элементы могут, как отдавать электроны, так и принимать их (все зависит от «партнера» по реакции), следовательно, вещество, в состав которого входят такие элементы, может быть, как окислителем, так и восстановителем, например, сера, входящая в состав сульфита натрия Na₂SO₃, имеет промежуточную степень окисления +4, по этой причине сульфит натрия в реакции с перманганатом калия окисляется до сульфата натрия (является восстановителем), а в реакции с сероводородом сульфит натрия восстанавливается до свободной серы (является окислителем).

Активные окислители:

• простые вещества:
  • кислород (O₂);
  • фтор (F₂);
• сложные вещества:
  • перманганат калия (KMnO₄);
  • хроматы и дихроматы (K₂Cr₂O₇);
  • азотная кислота и ее соли (HNO₃);
  • хлорная кислота и ее соли (HClO₄);
  • концентрированная серная кислота (H₂SO₄);
  • оксид свинца (PbO₂).

Активные восстановители:

• все простые вещества-металлы, наиболее активные:
  • щелочные металлы;
  • щелочноземельные металлы;
  • магний (Mg);
  • алюминий (Al);
  • цинк (Zn).
• сложные вещества:
  • метан (CH₄);
  • аммиак(NH₃);
  • силан(SiH₄);
  • фосфин(PH₃);
  • нитриды и фосфиды металлов (Na₃N, Ca₃P₂)
  • сероводород (H₂S)
  • галогеноводороды (HI, HBr, HCl)
  • сульфиды и галогениды металлов
  • гидриды металлов (NaH, CaH₂)

промежуточной степенью окисления

• чаще являются окислителями:
  • галогены (Cl₂; Br₂);
  • хлорноватистая кислота (HClO) и ее соли (гипохлораты, хлораты);
  • оксид марганца (IV) MnO₂;
  • соли трехвалентного железа (FeCl₃)
• чаще являются восстановителями:
  • водород (H₂);
  • углерод (C);
  • оксид углерода (II) CO;
  • сульфиты металлов (Na₂SO₃);
  • соли двухвалентного железа (FeSO₄)

Разновидности окислительно-восстановительных реакций:

• межмолекулярные — окислитель и восстановитель являются разными веществами:

  N2+H2→N-3H3+1

• внутримолекулярные — окислитель и восстановитель входят в состав одного вещества:

  N-3H4N+3O2→N2+H2O
  

• реакции диспропорционирования — окисляется и восстанавливается один и тот же элемент, находящийся в промежуточной степени окисления:

  N+4O2+H2O→HN+5O3+3+HNO2

Биологическое окисление

В биологии реакции окисления – это процессы, что в своей совокупности сходятся к изменению степени окисления атомов, участвующих в реакции, а происходит это благодаря электронному распределению между взаимодействующими компонентами.

Первое предположение о том, что во всех живых организмах протекают сложнейшие хим. реакции, было выдвинуто в восемнадцатом столетии. Изучал проблему химик из Франции А. Лавуазье

Он обратил внимание на то, что протекание горения и окисления в биологии являются схожими друг с другом

Учеными было совершено исследование пути кислорода, что был поглощен живом существом вследствие дыхания. Они сообщили, что данные процессы окисления – это аналогичные процессы, протекающие с разной скоростью

Он заострил внимание на процессе разложения, в основе которого, как оказалось, лежит явление взаимодействия молекулы кислорода (окислителя) с органическим веществом, включающим в себя атомы углерода и/или водорода. Вследствие разложения происходит абсолютная трансформация вещества

Оставались моменты процесса, которые ученые не могли до конца понять, среди которых вопросы:

• По какой причине осуществляется окисление в условиях низкой температуры тела, несмотря на его наличие вне организма, только при высокой температуре.
• По какой причине реакции окисления – это явления, которые не сопровождаются выбросом пламени, а также огромными выбросами высвободившейся энергии.
• Как осуществляется «горение» питательного ряда веществ в теле, если оно на 80% (приблизительно), состоит из жидкости – воды H₂O.