Üksikute aatomite ja ioonide redoks-omadused on kaasaegses keemias oluline küsimus. See materjal aitab selgitada elementide ja ainete aktiivsust, viia läbi erinevate aatomite keemiliste omaduste üksikasjalikku võrdlust.
Mis on oksüdeeriv aine
Selle kontseptsiooniga on seotud paljud keemia ülesanded, sealhulgas 11. klassi ühtse riigieksami ja 9. klassi OGE testiküsimused. Oksüdeerivaks aineks loetakse aatomeid või ioone, mis keemilise interaktsiooni käigus võtavad vastu elektrone mõnelt teiselt ioonilt või aatomilt. Kui analüüsime aatomite oksüdeerivaid omadusi, vajame Mendelejevi perioodilist süsteemi. Tabelis vasakult paremale paiknevatel perioodidel aatomite oksüdatsioonivõime suureneb ehk muutub sarnaselt mittemetalliliste omadustega. Peamistes alarühmades väheneb see parameeter ül alt alla. Tugevamate oksüdeeriva võimega lihtainete hulgas on fluor esikohal. Termin nagu "elektronegatiivsus", st aatomi võime võtta vastu keemilise interaktsiooni korralelektrone, võib pidada oksüdeerivate omaduste sünonüümiks. Kahest või enamast keemilisest elemendist koosnevate keeruliste ainete hulka kuuluvad erksad oksüdeerivad ained: kaaliumpermanganaat, kaaliumkloraat, osoon.
Mis on redutseerija
Aatomite redutseerivad omadused on iseloomulikud lihtainetele, millel on metallilised omadused. Perioodilises tabelis metallilised omadused nõrgenevad periooditi vasakult paremale ja põhialarühmades (vertikaalselt) suurenevad. Taastumise olemus seisneb elektronide tagastamises, mis asuvad välisenergia tasandil. Mida suurem on elektronkihtide (tasemete) arv, seda lihtsam on keemilise interaktsiooni käigus "lisa" elektrone ära anda.
Aktiivsetel (leelismuld-, leelismuldmetallidel) on suurepärased redutseerivad omadused. Lisaks sarnaste parameetritega ainete puhul tõstame esile vääveloksiidi (6), süsinikmonooksiidi. Maksimaalse oksüdatsiooniastme saavutamiseks peavad need ühendid ilmutama redutseerivaid omadusi.
Oksüdatsiooniprotsess
Kui keemilise interaktsiooni käigus annab aatom või ioon elektronid teisele aatomile (ioonile), siis räägime oksüdatsiooniprotsessist. Redutseerivate omaduste ja oksüdatsioonivõime muutumise analüüsimiseks vajate elementide perioodilist tabelit ja teadmisi kaasaegsetest füüsikaseadustest.
Taastamisprotsess
Redutseerimisprotsessid hõlmavad kummagi ioonide vastuvõtmistelektronide aatomid teistest aatomitest (ioonidest) otsese keemilise interaktsiooni käigus. Suurepärased redutseerijad on nitritid, leelismetallide sulfitid. Redutseerivad omadused elementide süsteemis muutuvad sarnaselt lihtainete metalliliste omadustega.
OVR sõelumisalgoritm
Selleks, et õpilane saaks koefitsiendid valmis keemilises reaktsioonis paigutada, on vaja kasutada spetsiaalset algoritmi. Redoksomadused aitavad lahendada ka erinevaid arvutusülesandeid analüütilises, orgaanilises ja üldkeemias. Soovitame reaktsiooni sõelumise järjekorda:
- Esiteks on oluline reeglite abil määrata iga saadaoleva elemendi oksüdatsiooniaste.
- Järgmisena määratakse reaktsioonis osalemiseks need aatomid või ioonid, mis on muutnud oma oksüdatsiooniastet.
- Miinus- ja plussmärgid näitavad keemilise reaktsiooni käigus antud ja vastu võetud vabade elektronide arvu.
- Järgmiseks määratakse kõigi elektronide arvu vahel minimaalne ühiskordaja, st täisarv, mis jagatakse jäägita vastuvõetud ja antud elektronidega.
- Seejärel jagatakse see keemilises reaktsioonis osalevateks elektronideks.
- Järgmisena määrame kindlaks, millistel ioonidel või aatomitel on redutseerivad omadused, ning määrame ka oksüdeerivad ained.
- Lõppetapis pange koefitsiendid võrrandisse.
Kasutades elektroonilise bilansi meetodit, paneme koefitsiendid sellesse reaktsiooniskeemi:
NaMnO4 + vesiniksulfiid + väävelhape=S + Mn SO4 +…+…
Algoritm probleemi lahendamiseks
Saame teada, millised ained peaksid pärast koostoimet moodustuma. Kuna reaktsioonis on juba oksüdeerija (see on mangaan) ja redutseerija on määratletud (see on väävel), tekivad ained, mille oksüdatsiooniastmed enam ei muutu. Kuna põhireaktsioon toimus soola ja tugeva hapnikku sisaldava happe vahel, on üheks lõppaineks vesi ja teiseks naatriumsool, täpsem alt naatriumsulfaat.
Nüüd koostame elektronide andmise ja vastuvõtmise skeemi:
- Mn+7 võtab 5 e=Mn+2.
Skeemi teine osa:
- S-2 gives2e=S0
Panime koefitsiendid algreaktsiooni, unustamata summeerida kõiki võrrandi osades olevaid väävliaatomeid.
2NaMnO4 + 5H2S + 3H2SO 4 =5S + 2MnSO4 + 8H2O + Na2SO 4.
Vesinikperoksiidi sisaldava OVR-i analüüs
Kasutades OVR-i sõelumisalgoritmi, saame koostada käimasoleva reaktsiooni võrrandi:
vesinikperoksiid + väävelhape + kaaliumpermagnaat=Mn SO4 + hapnik + …+…
Oksüdatsiooniastmed muutsid hapnikuiooni (vesinikperoksiidis) ja mangaani katiooni kaaliumpermanganaadis. See tähendab, et meil on nii redutseerija kui ka oksüdeerija.
Teeme kindlaks, milliseid aineid saab pärast interaktsiooni veel saada. Üks neist on vesi, mis on ilmselgelt happe ja soola reaktsioon. Kaalium ei moodustanud uutaineid, on teine toode kaaliumisool, nimelt sulfaat, kuna reaktsioon toimus väävelhappega.
Skeem:
2O – loovutab 2 elektroni ja muutub O 2 0 5
Mn+7 võtab vastu 5 elektroni ja muutub Mn-iooniks+2 2
Määrake koefitsiendid.
5H2O2 + 3H2SO4 + 2KMnO4=5O2 + 2Mn SO4 + 8H 2O + K2SO4
Kaaliumkromaati hõlmava OVR-analüüsi näide
Kasutades elektroonilise tasakaalu meetodit, teeme võrrandi koefitsientidega:
FeCl2 + vesinikkloriidhape + kaaliumkromaat=FeCl3+ CrCl3 + …+…
Oksüdatsiooniastmed muutsid rauda (raud(III)kloriidis II) ja kroomiooni kaaliumdikromaadis.
Nüüd proovime välja selgitada, millised ained veel tekivad. Üks võib olla sool. Kuna kaalium ei moodustanud ühtegi ühendit, on teine produkt kaaliumisool, täpsem alt kloriid, kuna reaktsioon toimus vesinikkloriidhappega.
Teeme diagrammi:
Fe+2 annab e= Fe+3 6 reduktor,
2Cr+6 aktsepteerib 6 e=2Cr +31 oksüdeerija.
Pane koefitsiendid algreaktsiooni:
6K2Cr2O7 + FeCl2+ 14HCl=7H2O + 6FeCl3 + 2CrCl3 + 2KCl
NäideOVR-analüüs, mis hõlmab kaaliumjodiidi
Reegleid järgides koostame võrrandi:
kaaliumpermanganaat + väävelhape + kaaliumjodiid…mangaansulfaat + jood +…+…
Oksüdatsiooniastmed muutsid mangaani ja joodi. See tähendab, et redutseerija ja oksüdeerija on olemas.
Nüüd uurime välja, milleni me lõpuks jõuame. Ühend on kaaliumiga, see tähendab, et saame kaaliumsulfaadi.
Joodiioonides toimuvad taastumisprotsessid.
Koostame elektronide ülekande skeemi:
- Mn+7 aktsepteerib 5 e=Mn+2 2 on oksüdeerija,
- 2I- anna ära 2 e=I2 0 5 on redutseerija.
Paigutage koefitsiendid esialgsesse reaktsiooni, ärge unustage selles võrrandis kõiki väävliaatomeid kokku võtta.
210KI + KMnO4 + 8H2SO4 =2MnSO 4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H 2O
Naatriumsulfiti sisaldava OVR-i analüüsi näide
Klassikalise meetodi abil koostame ahela võrrandi:
- väävelhape + KMnO4 + naatriumsulfit… naatriumsulfaat + mangaansulfaat +…+…
Pärast koostoimet saame naatriumsoola, vett.
Teeme diagrammi:
- Mn+7 võtab 5 e=Mn+2 2,
- S+4 annab 2 e=S+6 5.
Korraldage vaadeldavas reaktsioonis koefitsiendid, ärge unustage koefitsientide järjestamisel lisada väävliaatomeid.
3H2SO4 + 2KMnO4 + 5Na2 SO3 =K2SO4 + 2MnSO4 + 5Na2 SO4 + 3H2O.
Näide lämmastikku sisaldava OVR-i analüüsist
Teeme järgmise ülesande. Algoritmi kasutades koostame täieliku reaktsioonivõrrandi:
- mangaannitraat + lämmastikhape + PbO2=HMnO4+Pb(NO3) 2+
Analüüsime, mis aine ikkagi tekib. Kuna reaktsioon toimus tugeva oksüdeeriva aine ja soola vahel, tähendab see, et aine on vesi.
Näita elektronide arvu muutust:
- Mn+2 annab ära 5 e=Mn+7 2 avaldab redutseeriva aine omadusi,
- Pb+4 võtab 2 e=Pb+2 5 oksüdeerija.
3. Korraldame koefitsiendid esialgses reaktsioonis, lisage kindlasti kogu saadaolev lämmastik algse võrrandi vasakul küljel:
- 2Mn(NO3)2 + 6HNO3 + 5PbO 2 =2HMnO4 + 5Pb(NO3)2 + 2H 2O.
Sellel reaktsioonil ei ole lämmastiku redutseerivaid omadusi.
Teine redoksreaktsioon lämmastikuga:
Zn + väävelhape + HNO3=ZnSO4 + NO+…
- Zn0 kinni 2 e=Zn+23 saab restauraatoriks,
N+5aktsepteerib 3 e=N+2 2 on oksüdeerija.
Korraldage antud reaktsiooni koefitsiendid:
3Zn + 3H2SO4 + 2HNO3 =3ZnSO 4 + 2NO + 4H2O.
Redoksreaktsioonide tähtsus
Kõige kuulsamad redutseerimisreaktsioonid on fotosüntees, mis on omane taimedele. Kuidas taastavad omadused muutuvad? Protsess toimub biosfääris, toob kaasa energia suurenemise välise allika abil. Just seda energiat kasutab inimkond oma vajaduste rahuldamiseks. Keemiliste elementidega seotud oksüdatiivsete ja redutseerimisreaktsioonide näidete hulgas on eriti olulised lämmastiku-, süsiniku- ja hapnikuühendite muundumised. Maa atmosfäär on tänu fotosünteesile sellise koostisega, mis on vajalik elusorganismide arenguks. Tänu fotosünteesile ei suurene süsihappegaasi hulk õhukestas, Maa pind ei kuumene üle. Taim mitte ainult ei arene redoksreaktsiooni abil, vaid moodustab ka inimesele vajalikke aineid nagu hapnik ja glükoos. Ilma selle keemilise reaktsioonita on ainete täielik tsükkel looduses võimatu, samuti orgaanilise elu olemasolu.
RIA praktiline rakendamine
Metalli pinna säilitamiseks peate teadma, et aktiivsetel metallidel on taastavad omadused, mistõttu saate pinna katta aktiivsema elemendi kihiga, aeglustades samal ajal keemilise korrosiooni protsessi. Redoks-omaduste olemasolu tõttu joogivesi puhastatakse ja desinfitseeritakse. Ühtegi probleemi ei saa lahendada ilma koefitsiente võrrandisse õigesti paigutamata. Vigade vältimiseks on oluline mõista kogu redoksiparameetrid.
Kaitse keemilise korrosiooni eest
Korrosioon on inimelu ja -tegevuse jaoks eriline probleem. Selle keemilise muundamise tulemusena toimub metalli hävimine, auto osad, tööpingid kaotavad oma tööomadused. Sellise probleemi lahendamiseks kasutatakse turvisekaitset, metalli kaetakse laki- või värvikihiga ning korrosioonivastaseid sulameid. Näiteks rauapind on kaetud aktiivse metalli – alumiiniumi – kihiga.
Järeldus
Inimese organismis tekivad mitmesugused taastumisreaktsioonid, tagavad seedesüsteemi normaalse talitluse. Taastavate omadustega on seotud ka sellised põhilised eluprotsessid nagu käärimine, lagunemine, hingamine. Kõigil meie planeedi elusolenditel on sarnased võimed. Ilma reaktsioonideta elektronide tagastamise ja vastuvõtmisega on kaevandamine, ammoniaagi, leeliste ja hapete tööstuslik tootmine võimatu. Analüütilises keemias põhinevad kõik mahuanalüüsi meetodid täpselt redoksprotsessidel. Nende protsesside tundmisel põhineb ka võitlus sellise ebameeldiva nähtusega nagu keemiline korrosioon.