envelopinfo@asea.com.uaphone38 050 526 52 38

Що таке окисно-відновні реакції?

Окиснення й відновлення — протилежні хімічні процеси

На уроках хімії ми розглядали реакції окислення, як реакції речовин із киснем з утворенням оксидів. Тобто можна сказати, що окиснення — це процес приєднання речовиною атомів Оксигену (рис. 1, а).

Разом з окисненням у природі відбувається протилежний процес, що супроводжується віддачею речовиною атомів Оксигену. Цей процес називають відновленням. На прикладі реакції відновлення міді (рис. 1, б) стає зрозумілою назва цього процесу: оскільки з чорного купрум(П) оксиду отримали блискучий метал, то було логічно назвати цей процес відновленням металу.

okysno vidnovni reakcii 1

Рис.1 Реакції окислення (а) та відновлення (б) міді

Зверніть увагу: Купрум віддає атоми Оксигену й відновлюється, але одночасно атоми Гідрогену сполучаються з атомами Оксигену й окиснюються (рис.1, б).

Отже, процеси окиснення й відновлення — це протилежні взаємопов’язані процеси: відновлення завжди супроводжується окисненням, і навпаки. Тому використовують термін окисно-відновні реакції (скорочено ОВР).

Електронна природа окисно-відновних реакцій

Із розвитком хімії вчені виявили електронну природу процесів окиснення й відновлення. Одним із перших електронну теорію окисно-відновних процесів запропонував наш співвітчизник Л. В. Писаржевський. Він зіставив процеси окиснення й відновлення зі зміною ступенів окиснення елементів унаслідок переходу електронів від атомів одних елементів до інших.

Реакції, у яких хоча б один хімічний елемент змінює свій ступінь окиснення, називають окисно-відновними.

Розгляньмо знову реакцію окиснення міді, але цього разу звернемо увагу на ступені окиснення елементів реагентів та продуктів реакції:

okysno vidnovni reakcii 2

Ми бачимо, що в результаті реакції Купрум підвищує свій ступінь окиснення від 0 до +2. Для цього атоми Купруму мають віддати по 2 електрони. Цей процес можна описати схемою:

okysno vidnovni reakcii 3

Отже, з позиції електронної теорії окисно-відновних реакцій:

Окиснення — це процес віддачі електронів атомом (йоном) з підвищенням ступеня окиснення.

У цій реакції Оксиген знижує свій ступінь окиснення від 0 до -2. Для цього атоми Оксигену мають прийняти по 2 електрони:

okysno vidnovni reakcii 4

У такий спосіб атоми Оксигену доповнюють (відновлюють) свою електронну оболонку, тому з позиції електронної теорії окисно-відновних реакцій:

Відновлення — це процес приєднання електронів атомом (йоном) зі зниженням ступеня окиснення.

Кожний атом Оксигену приєднує по два електрони від атомів Купруму й відновлюється 

okysno vidnovni reakcii 5

Кожний атом Купруму віддає по два електрони атомам Оксигену й окиснюється

Елемент, що віддає електрони й тим самим підвищує свій ступінь окиснення, називають відновником. Речовину, що містить елемент-відновник, також називають відновником. Оскільки відновник під час реакції віддає електрони, то сам він при цьому окиснюється.

Відновник — це частинка (молекула, атом або йон), що віддає електрони.

У реакції міді з киснем атоми Купруму окиснюються, оскільки віддають електрони, але вони в цій реакції є відновниками, оскільки віддають електрони і відновлюють атоми Оксигену.

Елемент, що приєднує електрони, а також речовину, у складі якої він міститься, називають окисником. Оскільки окисник під час реакції приєднує електрони, то сам він при цьому відновлюється.

Окисник — це частинка (молекула, атом або йон), що приєднує електрони.

У реакції, що ми розглянули, Оксиген відновлюється, оскільки приєднує електрони, але одночасно він є окисником і окиснює Купрум.

У загальному випадку всі визначення, що ми розглянули в цьому підрозділі, можна представити схемою:

okysno vidnovni reakcii 6

Український фізико-хімік, академік AH СРСР і АН УРСР. Після закінчення гімназії готувався стати лікарем, але після ознайомлення з підручником Менделєєва «Основи хімії» вирішив присвятити себе цій науці. Після закінчення Одеського університету навчався в Лейпцизі в лабораторії Оствальда, де захистив дисертацію. Працював у Тарту, Київському політехнікумі, Катеринославському гірничому інституті (нині Національний гірничий університет, м. Дніпро). За часів громадянської війни сконструював простий протигаз, що зберіг здоров'я багатьох солдат. Розробив теорію окисно-відновних реакцій, заклав основи теорії каталізу тощо. Був засновником та першим директором Інституту фізичної хімії НАН України, що названий його ім'ям.

okysno vidnovni reakcii 7

Розгляньмо реакцію хлоридної кислоти з лугом:

okysno vidnovni reakcii 8

Легко помітити, що в цій реакції жоден хімічний елемент не змінює свій ступінь окиснення, тому ця реакція не є окисно-відновною, як і будь-яка інша реакція йонного обміну. Головна відмінність окисно-відновних реакцій від реакцій йонного обміну полягає в тому, що під час окисно-відновних реакцій відбувається перехід електронів від відновника до окисника.

okysno vidnovni reakcii 9

Поблизу Австралії та на островах Індонезії мешкають сміттєві кури (alectura lathami). На відміну від більшості птахів вони не висиджують свої яйця, а закопують їх у купу гумусу, листя та гною. Яйця розвиваються завдяки теплоті, що виділяється під час окисно-відновної реакції гниття рослин. За допомогою ніжної шкіри всередині дзьобу самець відстежує температуру всередині такого «інкубатора» і залежно від неї розкопує яйця або засипає їх піском.

 

Значення окисно-відновних реакцій

Окисно-відновні реакції мають велике значення в природі та практичній діяльності людини. Вони є основою багатьох процесів життєдіяльності живих організмів. У промисловості окисно-відновні реакції — один з головних методів добування нових речовин, зокрема металів, а також у виробництві кислот, ліків, барвників тощо.

Значення ОВР у природі

Фотосинтез — це окисно-відновна реакція, що забезпечує життя на планеті. Під дією світла в зелених рослинах відбувається процес, який можна описати сумарним рівнянням: 6С02 + 6Н20 = С6Н1206 + 602j. Окисником тут є вуглекислий газ, а відновником — атоми Оксигену у складі води.

Обмін речовин і енергії в клітинах відбувається в ході численних окисно-відновних реакцій. Процеси дихання, травлення — усе це ланцюги ОВР. Перетворення енергії, що звільняється під час ОВР, на енергію хімічних зв’язків молекул АТФ відбувається в мітохондріях.

Будь-яка реакція горіння є окисно-відновною. Із давніх-давен горіння є джерелом енергії для людини. Поширеним видом палива є деревина, її горіння можна описати рівнянням, зворотним до процесу фотосинтезу: С6Н12Об + 602 = 6С02 + 6Н20.

Гниття також є окисно-відновним процесом, що відбувається за участі бактерій. У результаті гниття виділяється енергія, необхідна для життєдіяльності цих бактерій. Мільйони років тому завдяки цим процесам сформувалися корисні копалини.

Бродіння — ще один приклад природних окисно-відновних реакцій. Цей процес відбувається за участі грибів, які таким чином добувають необхідну енергію. Людина використовує бродіння для виготовлення квашених овочів, дріжджового тіста, кисломолочних продуктів, сиру, пива тощо.

У живих організмах можуть відбуватися й небажані процеси окиснення, наслідком чого можуть бути мутації ДНК та захворювання, зокрема рак. Для запобігання цьому існують речовини-антиоксиданти, що виявляють відновні властивості. Вони взаємодіють з надлишковими окисниками в організмі й «нейтралізують» їх. Найпоширенішим антиоксидантом є вітамін С.

Корозія — це багатостадійний окисно-відновний процес, що описують рівнянням 4Fe + 302 + 6Н20 = 4Fe(OH)3. Корозію можна назвати процесом, який є протилежним добуванню металів на заводах. Цей процес призводить до пошкодження металевих конструкцій.

Значення ОВР у техніці

Добування енергії з будь-якого палива ґрунтується на окисно-відновних реакціях. Наприклад, у двигунах внутрішнього згоряння відбувається реакція згоряння бензину. Енергія, що виділяється в результаті реакції, перетворюється на механічну енергію для переміщення автомобіля.

У звичайних батарейках також відбуваються ОВР, енергія від яких перетворюється на електричну енергію. Такі джерела електричного струму називають гальванічними елементами. У батарейці відбувається реакція, яку схематично можна описати рівнянням: Zn + Мп02 = ZnO + МпО. Акумулятори в автомобілях, ноутбуках та мобільних телефонах — це також гальванічні елементи, в яких відбуваються різні ОВР.

У паливних елементах електрична енергія виробляється внаслідок окисно-відновної реакції горіння. Перспективним є паливний елемент, у якому відбувається згоряння водню, оскільки єдиним продуктом цієї реакції є вода. Автомобілі з такими паливними елементами будуть екологічно чистими.

Окисно-відновні реакції є основою методу гальванопластики — покриття поверхні тонким шаром металу. На виріб будь-якої складності з будь-якого матеріалу (деревини, гіпсу, пластмаси) наносять шар металу (золота, срібла, хрому). Цим методом наносять позолоту на дерев’яні вироби, хромують деталі автомобілів, побутової техніки тощо.

Усі металургійні процеси — добування металів — неможливі без ОВР. Метали (залізо, мідь, свинець тощо) відновлюють з руди коксом (спеціально обробленим вугіллям). Алюміній з руди відновлюють електричним струмом. За випуском чорних металів Україна посідає одне з провідних місць у світі.

Без ОВР неможливий хімічний аналіз деяких речовин. Із використанням різних реагентів визначають концентрацію кисню, йонів Феруму Fe2+ й Fe3+ або Хрому Сг3+ у сумішах. Також за допомогою ОВР можна визначити вміст вітаміну С (аскорбінової кислоти) у фруктах, соках тощо.

Реакція азоту з воднем N2 + ЗН2 = 2NH3 також є окисно-відновною. На цій реакції ґрунтується виробництво азотних добрив та вибухових речовин. Цей дешевий спосіб синтезу амоніаку дозволив підвищити врожайність сільськогосподарських культур.

Ключова ідея

Окиснення й відновлення — протилежні взаємопов'язані процеси і полягають в обміні електронів.