Редокс

Чтобы узнать о других значениях, см. Redox (значения) .

Натрий «отдает» один внешний электрон фтору , связывая их с образованием фторида натрия . Атом натрия окисляется, а фтор восстанавливается.

Продолжительность: 47 секунд. 0:47

При добавлении нескольких капель глицерина (мягкого восстановителя) к порошкообразному перманганату калия (сильному окислителю) начинается бурная окислительно-восстановительная реакция, сопровождающаяся самовоспламенением.

Пример реакции восстановления-окисления между натрием и хлором с OIL RIG. мнемоникой

Redox ( / ˈ r ɛ d ɒ k s / RED -oks , / ˈ r iː d ɒ k s / REE -doks , восстановление –окисление или окислительно-восстановительный ) — тип химической реакции в которой изменяются степени окисления реагентов , . Окисление — это потеря электронов или повышение степени окисления, а восстановление — это прирост электронов или понижение степени окисления. В химической реакции процессы окисления и восстановления происходят одновременно.

Существует два класса окислительно-восстановительных реакций:

• Перенос электрона . Только один (обычно) электрон переходит от окисляемого атома, иона или молекулы к восстанавливаемому атому, иону или молекуле. Этот тип окислительно-восстановительной реакции часто обсуждается с точки зрения окислительно-восстановительных пар и электродных потенциалов.
• Перенос атома . Атом переносится с одной подложки на другую. Например, при ржавлении железа , и одновременно степень окисления кислорода снижается , степень окисления атомов железа увеличивается по мере того, как железо превращается в оксид поскольку он принимает электроны, выпущенные железом. Хотя реакции окисления обычно связаны с образованием оксидов, ту же функцию могут выполнять и другие химические соединения. При гидрировании связи типа C=C восстанавливаются за счет переноса атомов водорода .

Терминология

«Редокс» — это сочетание слов «восстановление» и «окисление». Термин «редокс» впервые был использован в 1928 году.

Окисление – это процесс, при котором вещество теряет электроны. Восстановление – это процесс, при котором вещество приобретает электроны.

Процессы окисления и восстановления происходят одновременно и не могут происходить независимо. В окислительно-восстановительных процессах восстановитель передает электроны окислителю. Таким образом, в реакции восстановитель или восстановитель теряет электроны и окисляется, а окислитель или окислитель приобретает электроны и восстанавливается. Пара окислителя и восстановителя, участвующая в той или иной реакции, называется окислительно-восстановительной парой. Окислительно-восстановительная пара представляет собой восстановительную разновидность и соответствующую ей окислительную форму. например, Фе ²⁺
/ Фе ³⁺
.Окисление и восстановление сами по себе называются полуреакцией, поскольку две полуреакции всегда протекают вместе, образуя целую реакцию.

Окислители

Основная статья: Окислитель

Первоначально окисление подразумевало реакцию с кислородом с образованием оксида. Позже этот термин был расширен и теперь включает вещества , вступающие в химические реакции, аналогичные реакциям с кислородом. В конечном итоге это значение было обобщено и включило все процессы, связанные с потерей электронов или увеличением степени окисления химических веществ. Вещества, которые обладают способностью окислять другие вещества (заставлять их терять электроны), называются окислительными или окисляющими и известны как окислители , окислители или окислители. Окислитель отбирает электроны у другого вещества и таким образом сам восстанавливается. Поскольку окислитель «принимает» электроны, его еще называют акцептором электронов . Окислители обычно представляют собой химические вещества, содержащие элементы в высоких степенях окисления. (например, Н
₂2О
₄ , МnО ⁻
₄ , КрО
₃ , Кр
₂2О ²⁻
₇ , ОсО
₄ ), или же сильно электроотрицательные элементы (например, O ₂ , F ₂ , Cl ₂ , Br ₂ , I ₂ ), которые могут приобретать дополнительные электроны за счет окисления другого вещества.

Окислители являются окислителями, но этот термин в основном используется для источников кислорода, особенно в контексте взрывов. Азотная кислота является сильным окислителем.

Международная пиктограмма химических веществ - окислителей

Восстановители

Основная статья: Восстановитель

Вещества, которые обладают способностью восстанавливать другие вещества (заставлять их присоединять электроны), называются восстановителями или восстановителями и известны как восстановители , восстановители или восстановители. Восстановитель передает электроны другому веществу и таким образом сам окисляется. Поскольку восстановитель отдает электроны, его еще называют донором электронов . Доноры электронов также могут образовывать комплексы с переносом заряда с акцепторами электронов. Слово «восстановление» первоначально относилось к потере веса при нагревании металлической руды, такой как оксид металла, для извлечения металла. Другими словами, руда «превратилась» в металл. Антуан Лавуазье продемонстрировал, что эта потеря веса произошла из-за потери кислорода в виде газа. Позже ученые поняли, что в этом процессе атом металла приобретает электроны. Затем понятие восстановления стало обобщенным и включило все процессы, связанные с приобретением электронов. Восстановительный эквивалент относится к химическим соединениям , которые переносят эквивалент одного электрона в окислительно-восстановительных реакциях. Этот термин распространен в биохимии . Восстанавливающим эквивалентом может быть электрон или атом водорода в виде иона гидрида .

Восстановители в химии весьма разнообразны. Электроположительные элементарные металлы , такие как литий , натрий , магний , железо , цинк и алюминий , являются хорошими восстановителями. Эти металлы относительно легко отдают электроны.

Реагенты для переноса гидрида , такие как NaBH ₄ и LiAlH ₄ , восстанавливаются за счет переноса атома: они переносят эквивалент гидрида или H. ⁻ . Эти реагенты широко используются при восстановлении карбонильных соединений в спирты . Родственный метод восстановления включает использование газообразного водорода (H ₂ ) в качестве источников атомов H.

Электронация и деэлектронизация

Электрохимик предложил слова «электронизация » Джон Бокрис и «деэлектронизация» для описания процессов восстановления и окисления соответственно, когда они происходят на электродах . Эти слова аналогичны протонированию и депротонированию . Они не получили широкого распространения среди химиков во всем мире. хотя ИЮПАК признал термины «электронизация» и деэлектронизация.

и

Окислительно-восстановительные реакции могут протекать медленно, как при образовании ржавчины , или быстро, как при горении топлива . Реакции переноса электрона обычно протекают быстро и происходят во время смешивания.

Механизмы реакций переноса атомов весьма разнообразны, поскольку могут переноситься многие виды атомов. Такие реакции также могут быть весьма сложными, состоящими из многих стадий. Механизмы реакций переноса электрона происходят по двум различным путям: перенос электронов внутренней сферы и перенос электронов внешней сферы .

Анализ энергий связи и энергий ионизации в воде позволяет рассчитать термодинамические аспекты окислительно-восстановительных реакций.

Стандартные электродные потенциалы (

Каждая полуреакция имеет стандартный электродный потенциал ( E ^тот
_ячейка ), которая равна разности потенциалов или напряжению в равновесии при стандартных условиях , электрохимической ячейки в которой катодной реакцией является рассматриваемая полуреакция , а анодом — стандартный водородный электрод, в котором окисляется водород:

1 ⁄ 2 Ч ₂ → Ч ⁺ + и ⁻

Электродный потенциал каждой полуреакции также известен как потенциал восстановления ( E ^тот
_{красный} ), или потенциальный, когда полуреакция происходит на катоде. Восстановительный потенциал является мерой тенденции окислителя к восстановлению. Его значение равно нулю для H ⁺ + и ⁻ → 1 ⁄ 2 H ₂ по определению положителен для окислителей сильнее H ⁺ (например, +2,866 В для F ₂ ) и отрицательный для окислителей, более слабых, чем H. ⁺ (например, −0,763 В для Zn ²⁺ ).

Для окислительно-восстановительной реакции, протекающей в клетке, разность потенциалов равна:

И ^тот
_ячейка = E ^тот
_катод – Е ^тот
_анод

Однако потенциал реакции на аноде иногда выражают как окислительный потенциал :

И ^тот
_ох = – E ^тот
_{красный}

Окислительный потенциал является мерой склонности восстановителя к окислению, но не отражает физический потенциал на электроде. В таких обозначениях уравнение напряжения ячейки записывается со знаком плюс

И ^тот
_ячейка = E ^тот
_{красный(катод)} + E ^тот
_{бык (анод)}

Примеры окислительно-восстановительных реакций

Иллюстрация окислительно-восстановительной реакции

В реакции между водородом и фтором водород окисляется, а фтор восстанавливается:

Ч ₂ + Ж ₂ → 2 ВЧ

Эта реакция является самопроизвольной и выделяет 542 кДж на 2 г водорода, поскольку связь HF намного прочнее связи FF. Эту реакцию можно рассматривать как две полуреакции . Реакция окисления превращает водород в протоны :

Ч ₂ → 2 Ч ⁺ + 2 и ⁻

Реакция восстановления превращает фтор во фторид-анион:

Ф ₂ + 2 е ⁻ → 2 Ф ⁻

Полуреакции объединяются так, что электроны сокращаются:

ЧАС 2	→	2 часа + + 2 и −
Ф 2 + 2 и −	→	2 Ж −
H2 + F2	→	2 часа + + 2 Ж −

Протоны и фторид объединяются с образованием фторида водорода в неокислительно-восстановительной реакции:

2 часа ⁺ + 2 Ж ⁻ → 2 ВЧ

Общая реакция такая:

Ч ₂ + Ж ₂ → 2 ВЧ

Смещение металла

Окислительно-восстановительная реакция — это сила, лежащая в основе электрохимического элемента, такого как изображенный на рисунке гальванический элемент . Аккумулятор выполнен из цинкового электрода в растворе ZnSO ₄ , соединенного проволокой и пористым диском с медным электродом в растворе CuSO ₄ .

В реакциях этого типа атом металла в соединении или растворе заменяется атомом другого металла. Например, медь осаждается, когда металлический цинк помещается в раствор сульфата меди (II) :

Zn(s) + CuSO4 ₍ водн.) → ZnSO4 ₍ водн.) + Cu(тв)

В приведенной выше реакции металлический цинк вытесняет ион меди (II) из раствора сульфата меди и, таким образом, высвобождает свободную металлическую медь. Реакция протекает самопроизвольно и выделяет 213 кДж на 65 г цинка.

Ионное уравнение этой реакции:

Цинк + Си ²⁺ → Цинк ²⁺ + С

По двум полуреакциям видно, что цинк окисляется:

Цинк → Цинк ²⁺ + 2 и ⁻

И медь восстанавливается:

С ²⁺ + 2 и ⁻ → С

Другие примеры

• Восстановление нитратов до азота в присутствии кислоты ( денитрификация ):

2 НО − 3 + 10 е ⁻ + 12 ч. ⁺ → Н ₂ + 6 Н ₂ О

• Сгорание некоторых частично окисленных форм , углеводородов , , например, в двигателе внутреннего сгорания , приводит к образованию воды , двуокиси углерода таких как окись углерода , и тепловой энергии . Полное окисление материалов, содержащих углерод, приводит к образованию углекислого газа.
• Поэтапное окисление углеводорода кислородом в органической химии приводит к образованию воды и последовательно: спирта , альдегида или кетона , карбоновой кислоты и затем пероксида .

Коррозия и ржавление

Оксиды, такие как оксид железа(III) или ржавчина , которая состоит из гидратированных оксидов железа(III) Fe ₂ O ₃ · n H ₂ O и оксида-гидроксида железа(III) (FeO(OH), Fe(OH) ₃ ). , образуются при соединении кислорода с другими элементами.

Ржавление железа в пирита кубах

• Термин «коррозия» относится к электрохимическому окислению металлов в реакции с окислителем, например кислородом. Ржавчина , образование оксидов железа , является известным примером электрохимической коррозии: она образуется в результате окисления металлического железа . Обыкновенная ржавчина часто относится к оксиду железа(III) , образующемуся в результате следующей химической реакции:

4Fe _3O2 → 2Fe2O3 ₊

• Окисление железа(II) до железа(III) перекисью водорода в присутствии кислоты :

Фе ²⁺ → Фе ³⁺ + и ⁻

Н ₂ О ₂ + 2 е ⁻ → 2 ОН ⁻

Здесь общее уравнение включает в себя добавление уравнения восстановления к удвоенному уравнению окисления, так что электроны сокращаются:

2 Фе ²⁺ + Н ₂ О ₂ + 2 Н ⁺ → 2 Фе ³⁺ + 2 Н ₂ О

Диспропорция

Реакция диспропорционирования – это реакция, при которой одно и то же вещество одновременно окисляется и восстанавливается. Например, тиосульфат- ион с серой в степени окисления +2 может реагировать в присутствии кислоты с образованием элементарной серы (степень окисления 0) и диоксида серы (степень окисления +4).

С ₂ О 2- 3 + 2 Ч ⁺ → S + SO ₂ + H ₂ O

При этом один атом серы восстанавливается с +2 до 0, а другой окисляется с +2 до +4.

Окислительно-восстановительные реакции в промышленности

Катодная защита — это метод, используемый для борьбы с коррозией металлической поверхности путем превращения ее в катод электрохимической ячейки. Простой метод защиты соединяет защищаемый металл с более легко подверженным коррозии « жертвенным анодом », который действует как анод . Жертвенный металл вместо защищаемого металла затем подвергается коррозии. Катодная защита обычно применяется в оцинкованной стали, где жертвенное цинковое покрытие на стальных деталях защищает их от ржавчины.

Окисление используется в самых разных отраслях промышленности, например, при производстве чистящих средств и при окислении аммиака для получения азотной кислоты .

Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе электрохимических ячеек , которые могут генерировать электрическую энергию или поддерживать электросинтез . Металлические руды часто содержат металлы в окисленном состоянии, такие как оксиды или сульфиды, из которых чистые металлы извлекаются путем плавки при высокой температуре в присутствии восстановителя. В процессе гальванического покрытия используются окислительно-восстановительные реакции для покрытия объектов тонким слоем материала, например, в хромированных автомобильных деталях, с серебряным покрытием столовых приборах , гальванизации и позолоченных ювелирных изделиях .

Окислительно-восстановительные реакции в биологии

Вверху: аскорбиновая кислота ( восстановленная форма витамина С ).
Внизу: дегидроаскорбиновая кислота ( окисленная форма витамина С ).

Ферментативное потемнение — пример окислительно-восстановительной реакции, которая происходит в большинстве фруктов и овощей.

Многие важные биологические процессы включают окислительно-восстановительные реакции. Прежде чем некоторые из этих процессов начнутся, железо должно быть ассимилировано из окружающей среды.

Клеточное дыхание , например, представляет собой окисление глюкозы (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) до CO ₂ и восстановление кислорода до воды . Итоговое уравнение клеточного дыхания:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂ → 6 CO ₂ + 6 H ₂ O + Энергия

Процесс клеточного дыхания также во многом зависит от снижения НАД. ⁺ до НАДН и обратная реакция (окисление НАДН до НАД ⁺ ). Фотосинтез и клеточное дыхание дополняют друг друга, но фотосинтез не является противоположностью окислительно-восстановительной реакции клеточного дыхания:

6 CO ₂ + 6 H ₂ O + энергия света → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂

Биологическая энергия часто сохраняется и высвобождается посредством окислительно-восстановительных реакций. Фотосинтез включает восстановление углекислого газа до сахаров и окисление воды до молекулярного кислорода. Обратная реакция — дыхание — окисляет сахара с образованием углекислого газа и воды. В качестве промежуточных этапов восстановленные углеродные соединения используются для восстановления никотинамидадениндинуклеотида (НАД ⁺ ) в НАДН, который затем способствует созданию протонного градиента , который управляет синтезом аденозинтрифосфата (АТФ) и поддерживается за счет восстановления кислорода. В клетках животных митохондрии выполняют сходные функции.

Смотрите также: Мембранный потенциал

Свободнорадикальные реакции — это окислительно-восстановительные реакции, которые происходят как часть гомеостаза и уничтожения микроорганизмов , когда электрон отрывается от молекулы, а затем почти мгновенно снова присоединяется. Свободные радикалы являются частью окислительно-восстановительных молекул и могут нанести вред человеческому организму, если они не присоединятся к окислительно-восстановительной молекуле или антиоксиданту .

Термин «окислительно-восстановительное состояние» часто используется для описания баланса GSH/GSSG , НАД. ⁺ /НАДН и НАДФ ⁺ /НАДФН в биологической системе, такой как клетка или орган . Окислительно-восстановительное состояние отражается на балансе нескольких наборов метаболитов (например, лактата и пирувата , бета-гидроксибутират и ацетоацетат ), взаимное превращение которых зависит от этих соотношений. Редокс-механизмы также контролируют некоторые клеточные процессы. окислительно-восстановительные белки и их гены должны быть расположены рядом для окислительно-восстановительной регуляции В соответствии с гипотезой CoRR о функции ДНК в митохондриях и хлоропластах .

Редокс-циклинг

Множество ароматических соединений восстанавливаются ферментативно с образованием свободных радикалов , которые содержат на один электрон больше, чем их исходные соединения. В общем, донором электронов является любой из множества флавоферментов и их коферментов . После образования эти анионные свободные радикалы восстанавливают молекулярный кислород до супероксида и регенерируют неизмененное исходное соединение. Конечная реакция представляет собой окисление коферментов флавофермента и восстановление молекулярного кислорода с образованием супероксида. Такое каталитическое поведение было описано как бесполезный цикл или окислительно-восстановительный цикл.

Окислительно-восстановительные реакции в геологии

Доменные печи Тршинецкого металлургического комбината , Чехия

Минералы обычно представляют собой окисленные производные металлов. Железо добывают в виде магнетита (Fe ₃ O ₄ ). Титан добывают в виде его диоксида, обычно в виде рутила (TiO ₂ ). Для получения соответствующих металлов эти оксиды необходимо восстановить, что часто достигается нагреванием этих оксидов с углеродом или окисью углерода в качестве восстановителей. Доменные печи — это реакторы, в которых оксиды железа и кокс (форма углерода) объединяются для производства расплавленного железа. Основная химическая реакция с образованием расплавленного железа:

Fe ₂ O ₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO ₂

Окислительно-восстановительные реакции в почвах

Реакции переноса электрона играют центральную роль во множестве процессов и свойств в почвах, а окислительно-восстановительный потенциал , количественно определяемый как Eh (потенциал ( напряжение ) платинового электрода относительно стандартного водородного электрода) или pe (аналог pH как -log активности электронов), является главным переменная, наряду с pH, которая контролирует и регулируется химическими реакциями и биологическими процессами. Ранние теоретические исследования с применением к затопленным почвам и производству риса-сырца были плодотворными для последующих работ по термодинамическим аспектам окислительно-восстановительного процесса и роста корней растений в почвах. Более поздние работы основывались на этом фундаменте и расширили его для понимания окислительно-восстановительных реакций, связанных с изменениями степени окисления тяжелых металлов, педогенезом и морфологией, деградацией и образованием органических соединений, свободных радикалов химией водно-болотных угодий , разграничением , восстановлением почвы и различными методологическими подходами к характеристике окислительно-восстановительного процесса. состояние почв.

Мнемоника

Основная статья: Список мнемоник по химии

Ключевые термины, связанные с окислительно-восстановительным процессом, могут сбивать с толку. Например, окисляющийся реагент теряет электроны; однако этот реагент называется восстановителем. Аналогично, восстановленный реагент приобретает электроны и называется окислителем. Эти мнемоники обычно используются студентами, чтобы помочь запомнить терминологию:

• « ВЫШКА » — окисление — это потеря НЕФТЯНАЯ электронов, восстановление — это прирост . электронов
• Лев говорит ГЕР [грр]» — потеря электронов . — это окисление , прирост электронов — это восстановление « Лев
• «ЛЕОРА говорит ГЕРОА» — потеря электронов называется окислением (восстановителем); присоединение электронов называется восстановлением (окислителем).
• «RED CAT» и «AN OX», или «AnOx RedCat» («волово-рыжий кот») — восстановление происходит на катоде, а анод — на окислении.
• «RED CAT получает то, что теряет AN OX» - восстановление на катоде приобретает (электроны) то, что теряет анодное окисление (электроны)
• «ПАНИКА» — положительный анод, отрицательный — катод. Это относится к электролитическим элементам , которые выделяют накопленное электричество и могут заряжаться электричеством. ПАНИКА не распространяется на элементы, которые можно перезарядить окислительно-восстановительными материалами. Эти гальванические или гальванические элементы , такие как топливные элементы , производят электричество в результате внутренних окислительно-восстановительных реакций. Здесь положительный электрод является катодом, а отрицательный – анодом.

См. также

• Анаэробное дыхание
• Бессемеровский процесс
• Биоремедиация
• Цикл Кальвина
• Химическое уравнение
• Химическое петлевое горение
• Цикл лимонной кислоты
• Электрохимическая серия
• Электрохимия
• Электролиз
• Электронный эквивалент
• Электронно-транспортная цепь
• Электросинтез
• Гальванический элемент
• гидрирование
• Мембранный потенциал
• Микробный топливный элемент
• Концепция Мерберна
• Нуклеофильная абстракция
• Органическая окислительно-восстановительная реакция
• Окислительное присоединение и восстановительное элиминирование
• Окислительное фосфорилирование
• Частичное окисление
• Прооксидант
• Редокс-градиент
• Редокс-потенциал
• Восстановитель
• Восстановительная атмосфера
• Потенциал сокращения
• Термическая реакция
• Трансметаллация
• Цикл серы

Дальнейшее чтение

• Шуринг, Дж.; Шульц, HD; Фишер, В.Р.; Бетчер, Дж.; Дуйнисвельд, WH, ред. (1999). Redox: основы, процессы и приложения . Гейдельберг: Springer Verlag. п. 246. hdl : 10013/epic.31694.d001 . ISBN  978-3-540-66528-1 .
• Тратник, Пол Г.; Грундл, Тимоти Дж.; Хадерляйн, Стефан Б., ред. (2011). Водная окислительно-восстановительная химия . Серия симпозиумов ACS. Том. 1071. дои : 10.1021/bk-2011-1071 . ISBN  978-0-8412-2652-4 .