La trasformazione di una sostanza in un' altra con la formazione di nuovi composti è chiamata reazione chimica. Comprendere questo processo è di grande importanza per la vita delle persone, perché con il suo aiuto puoi ottenere un'enorme quantità di sostanze necessarie e utili che si trovano in natura in piccole quantità o non esistono affatto nella loro forma naturale. Tra le varietà più importanti ci sono le reazioni redox (abbreviate OVR o redox). Sono caratterizzati da un cambiamento negli stati di ossidazione di atomi o ioni.
Processi che si verificano durante la reazione
Durante la reazione avvengono due processi: ossidazione e riduzione. Il primo è caratterizzato dalla donazione di elettroni da parte di agenti riducenti (donatori) con un aumento del loro stato di ossidazione, il secondo dall'aggiunta di elettroni da parte di agenti ossidanti (accettori) con una diminuzione del loro stato di ossidazione. Gli agenti riducenti più comuni sono metalli e composti non metallici nello stato di ossidazione più basso (acido solfidrico, ammoniaca). tipicogli agenti ossidanti sono alogeni, azoto, ossigeno e sostanze che contengono un elemento nel più alto stato di ossidazione (acido nitrico o solforico). Atomi, ioni, molecole possono donare o acquisire elettroni.
Prima del 1777, si ipotizzava che l'ossidazione provocasse la perdita di una sostanza combustibile invisibile chiamata flogisto. Tuttavia, la teoria della combustione creata da A. Lavoisier ha convinto gli scienziati che l'ossidazione si verifica quando si interagisce con l'ossigeno e la riduzione avviene sotto l'azione dell'idrogeno. Solo dopo un po' è diventato chiaro che non solo l'idrogeno e l'ossigeno possono influenzare le reazioni redox.
Ossidazione
Il processo di ossidazione può avvenire nelle fasi liquida e gassosa, oltre che sulla superficie dei solidi. Un ruolo speciale è svolto dall'ossidazione elettrochimica che si verifica in soluzioni o fonde all'anodo (un elettrodo collegato al polo positivo della fonte di alimentazione). Ad esempio, quando i fluoruri vengono fusi mediante elettrolisi (la decomposizione di una sostanza nei suoi elementi costitutivi sugli elettrodi), si ottiene l'agente ossidante inorganico più forte, il fluoro.
Un altro classico esempio di ossidazione è la combustione in aria e ossigeno puro. Diverse sostanze sono in grado di questo processo: metalli e non metalli, composti organici e inorganici. Di importanza pratica è la combustione del carburante, che è principalmente una miscela complessa di idrocarburi con piccole quantità di ossigeno, zolfo, azoto e altri elementi.
Ossidante classico –ossigeno
Una sostanza semplice o un composto chimico in cui gli atomi attaccano gli elettroni è chiamata agente ossidante. Un classico esempio di tale sostanza è l'ossigeno, che si trasforma in ossidi dopo la reazione. Ma anche un agente ossidante nelle reazioni redox è l'ozono, che si riduce a sostanze organiche (ad esempio chetoni e aldeidi), perossidi, ipocloriti, clorati, acido nitrico e solforico, ossido di manganese e permanganato. È facile vedere che tutte queste sostanze contengono ossigeno.
Altri comuni ossidanti
Tuttavia, la reazione redox non è solo un processo che coinvolge l'ossigeno. Invece, alogeni, cromo e persino cationi metallici e uno ione idrogeno (se si trasforma in una sostanza semplice come risultato della reazione) possono agire come agenti ossidanti.
Quanti elettroni saranno accettati dipende in gran parte dalla concentrazione dell'agente ossidante, nonché dall'attività del metallo che interagisce con esso. Ad esempio, nella reazione dell'acido nitrico concentrato con un metallo (zinco), si possono accettare 3 elettroni e nell'interazione delle stesse sostanze, a condizione che l'acido sia in una forma molto diluita, già 8 elettroni.
I più potenti ossidanti
Tutti gli agenti ossidanti differiscono per la forza delle loro proprietà. Quindi, lo ione idrogeno ha una bassa capacità ossidante, mentre il cloro atomico, formato in acqua regia (una miscela di acido nitrico e acido cloridrico in rapporto 1:3), può ossidare anche oro e platino.
L'acido selenico concentrato ha proprietà simili. Questo lo rende unico tra gli altri acidi organici. Quando diluito, non è in grado di interagire con l'oro, ma è comunque più forte dell'acido solforico e può anche ossidare altri acidi, come l'acido cloridrico.
Un altro esempio di un forte agente ossidante è il permanganato di potassio. Interagisce con successo con i composti organici ed è in grado di rompere forti legami di carbonio. Anche l'ossido di rame, l'ozonuro di cesio, il superossido di cesio, nonché il difluoruro di xeno, il tetrafluoruro e l'esafluoruro di xeno hanno un'elevata attività. La loro capacità ossidante è dovuta all'elevato potenziale dell'elettrodo quando reagisce in una soluzione acquosa diluita.
Tuttavia, ci sono sostanze in cui questo potenziale è ancora più alto. Tra le molecole inorganiche, il fluoro è l'agente ossidante più forte, ma non è in grado di agire sul gas inerte xeno senza calore e pressione aggiuntivi. Ma questo viene affrontato con successo da esafluoruro di platino, difluorodiossido, difluoruro di krypton, difluoruro d'argento, sali d'argento bivalenti e alcune altre sostanze. Per la loro capacità unica di reazioni redox, sono classificati come ossidanti molto forti.
Recupero
In origine il termine "recupero" era sinonimo di disossidazione, cioè privazione di una sostanza di ossigeno. Tuttavia, nel tempo, la parola acquisì un nuovo significato, significava l'estrazione di metalli dai composti che li contenevano, nonché le eventuali trasformazioni chimiche in cuila parte elettronegativa di una sostanza è sostituita da un elemento caricato positivamente, come l'idrogeno.
La complessità del processo dipende in gran parte dall'affinità chimica degli elementi nel composto. Più è debole, più facile sarà la reazione. Tipicamente, l'affinità è più debole nei composti endotermici (il calore viene assorbito durante la loro formazione). Il loro recupero è abbastanza semplice. Un esempio lampante di questo sono gli esplosivi.
Affinché una reazione che coinvolga composti esotermici (formati con il rilascio di calore), deve essere applicata una forte fonte di energia, come una corrente elettrica.
Agenti riducenti standard
L'agente riducente più antico e comune è il carbone. Si mescola con ossidi di minerali, quando riscaldato, l'ossigeno viene rilasciato dalla miscela, che si combina con il carbonio. Il risultato è una polvere, granuli o leghe metalliche.
Un altro comune agente riducente è l'idrogeno. Può anche essere usato per estrarre metalli. Per fare ciò, gli ossidi vengono intasati in un tubo attraverso il quale viene fatto passare un flusso di idrogeno. Fondamentalmente, questo metodo viene applicato a rame, piombo, stagno, nichel o cob alto. Puoi applicarlo sul ferro, ma la riduzione sarà incompleta e si formerà acqua. Lo stesso problema si osserva quando si tenta di trattare gli ossidi di zinco con l'idrogeno, ed è ulteriormente aggravato dalla volatilità del metallo. Il potassio e alcuni altri elementi non sono affatto ridotti dall'idrogeno.
Caratteristiche delle reazioni in chimica organica
In corsola particella di riduzione accetta elettroni e quindi abbassa il numero di ossidazione di uno dei suoi atomi. Tuttavia, è conveniente determinare l'essenza della reazione modificando lo stato di ossidazione con la partecipazione di composti inorganici, mentre in chimica organica è difficile calcolare il numero di ossidazione, spesso ha un valore frazionario.
Per navigare tra le reazioni redox che coinvolgono sostanze organiche, è necessario ricordare la seguente regola: la riduzione si verifica quando un composto rinuncia ad atomi di ossigeno e acquisisce atomi di idrogeno, e viceversa, l'ossidazione è caratterizzata dall'aggiunta di ossigeno.
Il processo di riduzione è di grande importanza pratica per la chimica organica. È lui che sta alla base dell'idrogenazione catalitica utilizzata per scopi di laboratorio o industriali, in particolare la purificazione di sostanze e sistemi da impurità di idrocarburi e ossigeno.
La reazione può procedere sia a basse temperature e pressioni (fino a 100 gradi Celsius e 1-4 atmosfere, rispettivamente), sia ad alte temperature (fino a 400 gradi e diverse centinaia di atmosfere). La produzione di sostanze organiche richiede strumenti complessi per fornire le giuste condizioni.
Metalli attivi del gruppo del platino o nichel non prezioso, rame, molibdeno e cob alto sono usati come catalizzatori. Quest'ultima opzione è più economica. Il ripristino avviene per l'assorbimento simultaneo del substrato e dell'idrogeno con la facilitazione della reazione tra loro.
Le reazioni di riduzione procedonoe dentro il corpo umano. In alcuni casi possono essere utili e persino vitali, in altri possono portare a gravi conseguenze negative. Ad esempio, i composti contenenti azoto nel corpo vengono convertiti in ammine primarie, che, tra le altre funzioni utili, costituiscono sostanze proteiche che sono il materiale da costruzione dei tessuti. Allo stesso tempo, gli alimenti tinti all'anilina producono composti tossici.
Tipi di reazioni
Che tipo di reazioni redox, diventa chiaro se si osserva la presenza di cambiamenti negli stati di ossidazione. Ma all'interno di questo tipo di trasformazione chimica, ci sono delle variazioni.
Quindi, se all'interazione partecipano molecole di diverse sostanze, una delle quali include un atomo ossidante e l' altra un agente riducente, la reazione è considerata intermolecolare. In questo caso, l'equazione della reazione redox può essere la seguente:
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
L'equazione mostra che gli stati di ossidazione del ferro e dell'idrogeno cambiano, mentre fanno parte di diverse sostanze.
Ma ci sono anche reazioni redox intramolecolari, in cui un atomo di un composto chimico viene ossidato e un altro viene ridotto, e si ottengono nuove sostanze:
2H2O=2H2 + O2.
Un processo più complesso si verifica quando lo stesso elemento agisce come donatore e accettore di elettroni e forma diversi nuovi composti, che sono inclusi in diversi stati di ossidazione. Un tale processo è chiamatodismutazione o sproporzione. Un esempio di ciò è la seguente trasformazione:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
Dalla precedente equazione della reazione redox, si può vedere che il sale di Bertolet, in cui il cloro è nello stato di ossidazione di +5, si decompone in due componenti: cloruro di potassio con lo stato di ossidazione del cloro -1 e perclorato con numero di ossidazione +7. Si scopre che lo stesso elemento ha aumentato e abbassato contemporaneamente il suo stato di ossidazione.
L'inverso del processo di dismutazione è la reazione di coproporzione o riproporzione. In esso, due composti, che contengono lo stesso elemento in diversi stati di ossidazione, reagiscono tra loro per formare una nuova sostanza con un unico numero di ossidazione:
SO2 +2H2S=3S + 2H2O.
Come puoi vedere dagli esempi precedenti, in alcune equazioni la sostanza è preceduta da numeri. Mostrano il numero di molecole coinvolte nel processo e sono chiamati coefficienti stechiometrici delle reazioni redox. Affinché l'equazione sia corretta, devi sapere come disporli.
Metodo del bilanciamento elettronico
L'equilibrio nelle reazioni redox è sempre preservato. Ciò significa che l'agente ossidante accetta esattamente tanti elettroni quanti sono stati ceduti dall'agente riducente. Per comporre correttamente un'equazione per una reazione redox, devi seguire questo algoritmo:
- Determina gli stati di ossidazione degli elementi prima e dopo la reazione. Ad esempio, nella reazione tra acido nitrico e fosforo in presenza di acqua produce acido fosforico e ossido nitrico: HNO3 + P + H2O=H3PO4 + NO. L'idrogeno in tutti i composti ha uno stato di ossidazione di +1 e l'ossigeno ha -2. Per l'azoto, prima dell'inizio della reazione, il numero di ossidazione è +5 e dopo che procede +2, per il fosforo - 0 e +5, rispettivamente.
- Segna gli elementi in cui è cambiato il numero di ossidazione (azoto e fosforo).
- Componi equazioni elettroniche: N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- Equalizza il numero di elettroni ricevuti scegliendo il minimo comune multiplo e calcolando il moltiplicatore (i numeri 3 e 5 sono divisori per il numero 15, rispettivamente, il moltiplicatore per l'azoto è 5 e per il fosforo 3): 5N +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- Aggiungi le semireazioni risultanti secondo le parti sinistra e destra: 5N+5 + 3P0=5N + 2 - 15=3Р+5. Se tutto è fatto correttamente in questa fase, gli elettroni si ridurranno.
- Riscrivi completamente l'equazione, annotando i coefficienti secondo il bilancio elettronico della reazione redox: 5HNO3 + 3P + H2 O=3H 3PO4 + 5NO.
- Controlla se il numero di elementi prima e dopo la reazione rimane lo stesso ovunque e, se necessario, aggiungi coefficienti prima di altre sostanze (in questo esempio, la quantità di idrogeno e ossigeno non si è equalizzata, in modo che l'equazione di reazione per sembrare corretta, è necessario aggiungere un coefficiente davanti aacqua): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5NO.
Un metodo così semplice ti consente di posizionare correttamente i coefficienti ed evitare confusione.
Esempi di reazioni
Un esempio illustrativo di reazione redox è l'interazione del manganese con acido solforico concentrato, procedendo come segue:
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
La reazione redox procede con un cambiamento negli stati di ossidazione del manganese e dello zolfo. Prima dell'inizio del processo, il manganese era in uno stato non legato e aveva uno stato di ossidazione zero. Ma quando interagisce con lo zolfo, che fa parte dell'acido, aumenta lo stato di ossidazione a +2, agendo così come un donatore di elettroni. Lo zolfo, al contrario, svolgeva il ruolo di accettore, abbassando lo stato di ossidazione da +6 a +4.
Tuttavia, ci sono anche reazioni in cui il manganese agisce come un accettore di elettroni. Ad esempio, questa è l'interazione del suo ossido con l'acido cloridrico, procedendo secondo la reazione:
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
La reazione redox in questo caso procede con una diminuzione dello stato di ossidazione del manganese da +4 a +2 e un aumento dello stato di ossidazione del cloro da -1 a 0.
In precedenza, l'ossidazione dell'ossido di zolfo con ossido di azoto in presenza di acqua, che produceva il 75% di acido solforico, era di grande importanza pratica:
SO2 + NO2 + H2O=NO + H2So4.
La reazione redox veniva eseguita in torri speciali e il prodotto finale era chiamato torre. Ora questo metodo è tutt' altro che l'unico nella produzione di acido, poiché esistono altri metodi moderni, ad esempio il contatto con catalizzatori solidi. Ma ottenere l'acido con il metodo della reazione redox non ha solo un significato industriale, ma anche storico, poiché è stato proprio un tale processo che si è verificato spontaneamente nell'aria di Londra nel dicembre 1952.
L'anticiclone ha quindi portato un clima insolitamente freddo e i cittadini hanno iniziato a usare molto carbone per riscaldare le loro case. Poiché questa risorsa era di scarsa qualità dopo la guerra, una grande quantità di anidride solforosa era concentrata nell'aria, che reagiva con l'umidità e l'ossido di azoto nell'atmosfera. In conseguenza di questo fenomeno è aumentata la mortalità dei lattanti, degli anziani e di chi soffre di malattie respiratorie. All'evento è stato dato il nome di Great Smog.
Quindi, le reazioni redox sono di grande importanza pratica. Comprendere il loro meccanismo consente di comprendere meglio i processi naturali e ottenere nuove sostanze in laboratorio.
