1.2. Окислительно-восстановительные реакции.
Окислительно-восстановительная реакция состоит из процессов окисления и восстановления. Окисление – это отдача электронов веществом, т.е. повышение степени окисления элемента.
Например, реакция окисления цинка
.
Степень окисленности (с.о.) цинка
повышается от 0 до +2. Вещества, отдающие
свои электроны в ходе реакции, называют
восстановителем. В нашем примере это
.
В результате реакции с.о. элемента
возрастает. Это значит, что вещество из
восстановленной формы превращается в
окисленную. Для нашего примера
восстановленной формой вещества будет
металлический цинк, а окисленной формой
– ионы
.
Типичными восстановителями являются
простые вещества, атомы которых имеют
малую электроотрицательность (ЭО –
условная характеристика способности
атомов в соединениях притягивать к
себе электроны). Например: металлы;
водород; углерод; анионы, атомы которых
находятся в низкой или нижней степени
окисления, например
,
,
а также углеводороды, азотоводороды,
бороводороды и др.
Восстановление – это смещение электронов
к веществу или понижение степени
окисления элемента. Например
.
Вещество, принимающее электроны,
называется окислителем. В примере
окислителем является ион
.
В результате реакции степень окисления
элемента понижается. Т.е. вещество из
окисленной формы превращается в
восстановленную.
К типичным окислителям относятся простые
вещества, атомы которых характеризуются
высокой ЭО, например галогены и кислород,
соединения кислорода, соединения
благородных газов, катионы и анионы,
содержащие атомы с высокой с.о., например
.
Раздельное протекание реакций окисления и восстановления происходит только в электрохимических процессах. В химических окислительно-восстановительных реакциях окисление и восстановление взаимосвязаны. В ходе окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдает свои электроны окислителю.
Реакции, в которых окислители и
восстановители представляют собой
различные вещества, называют
межмолекулярными. В некоторых реакциях
окислителями и восстановителями могут
быть атомы одной и той же молекулы. Такие
реакции называют внутримолекулярными.
Обычно это реакции разложения вещества.
Например
.
В данной реакции с.о. азота увеличивается (окисление), а с.о. водорода - уменьшается (восстановление). В окислительно-восстановительных реакциях наряду с окислителями могут участвовать ионы и молекулы среды.
Направление окислительно-восстановительной реакции.
Направление окислительно-восстановительной
реакции можно предугадать на основе
второго закона термодинамики. Если
энергия Гиббса окислительно-восстановительной
реакции ниже нуля (
),
то реакция может протекать в прямом
направлении. Если указанная энергия
,
то прямая реакция в данных условиях
невозможна и будет идти обратная реакция.
Энергию Гиббса можно рассчитать, зная
энергию Гиббса реакции образования
продуктов и исходных веществ (приводится
для стандартных состояний в справочниках).
Например:
Энергия Тиббса при 298 К и стандартном состоянии –94,5 кДж/моль. Т.е. окисление магния возможно, а окисление водорода оксидом магния нет.
Или:
G для этой реакции +126,5 кДж/моль. Отсюда следует, что окисление Pd водой при стандартных условиях невозможно, а обратная реакция окисления водорода оксидом палладия вполне возможна.
Реальная скорость процессов зависит от их кинетических констант и условий проведения.