5.5: Окислювально-відновні реакції

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22148

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Ідентифікувати хімічну реакцію як окислювально-відновну реакцію.

При зануренні металу цинку в кількість води відбувається\(\ce{HCl}\) наступна реакція (рис.\(\PageIndex{1}\)):

\[\ce{Zn (s) + 2HCl (aq) → H2 (g) + ZnCl2(aq)} \label{eq:1} \]

Це один із прикладів того, що іноді називають реакцією однієї заміни, оскільки\(\ce{Zn}\) замінює\(\ce{H}\) в поєднанні с\(\ce{Cl}\).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Цинк Метал плюс соляна кислота. Досить очевидно, що метал цинку вступає в реакцію з водною соляною кислотою! Бульбашки є газом водню (права сторона рівняння\ ref {eq:1}).

Оскільки деякі речовини в цій реакції є водними, ми можемо розділити їх на іони:

\[\ce{Zn (s) + 2H^{+} (aq) + 2Cl^{−} (aq) → H2(g) + Zn^{2+} (aq) + 2Cl^{−} (aq)} \nonumber \]

Розглядаючи таким чином, чиста реакція, здається, є перенесенням заряду між атомами цинку та водню. (Немає чистих змін, які відчувають іон хлориду.) Насправді електрони переносяться від атомів цинку до атомів водню (які в кінцевому підсумку утворюють молекулу двоатомного водню), змінюючи заряди на обох елементах.

Щоб зрозуміти реакції передачі електронів, подібні до реакції між металом цинку та іонами водню, хіміки розділяють їх на дві частини: одна частина фокусується на втраті електронів, а одна - на посилення електронів. Втрата електронів називається окисленням. Коефіцієнт посилення електронів називається редукцією. Оскільки будь-яка втрата електронів однією речовиною повинна супроводжуватися посиленням електронів чимось іншим, окислення і відновлення завжди відбуваються разом. Таким чином, реакції перенесення електронів також називаються окислювально-відновними реакціями, або просто окислювально-відновними реакціями. Атом, який втрачає електрони, окислюється, а атом, який отримує електрони, зменшується. Крім того, оскільки ми можемо думати про види, що окислюються, як спричиняючі відновлення, окислюваний вид називається відновником, а відновлюваний вид називається окислювачем.

Оскільки акумулятори використовуються як джерела електрики (тобто електронів), всі батареї засновані на окислювально-відновних реакціях.

Хоча дві реакції відбуваються разом, може бути корисно записати реакції окислення та відновлення окремо як половину реакцій. У половинні реакції ми включаємо лише реагент, що окислюється або відновлюється, відповідні види продуктів, будь-які інші види, необхідні для збалансування половини реакції, і електрони, що передаються. Втрачені електрони записуються як продукти; отримані електрони записуються як реагенти. Наприклад, в нашому більш ранньому рівнянні, тепер записаному без іонів хлориду,

\[\ce{Zn (s) + 2H^{+} (aq) → Zn^{2+}(aq) + H2(g)} \nonumber \]

атоми цинку окислюються до Zn ² ⁺. Половинна реакція для реакції окислення, опускаючи мітки фаз, виглядає наступним чином:

\[\ce{Zn → Zn^{2+} + 2e^{−}} \nonumber \]

Ця половина реакції збалансована за кількістю атомів цинку, а також показує два електрони, необхідні як продукти для обліку того, що атом цинку втрачає два негативні заряди, щоб стати іоном 2+. При половинних реакціях є ще один пункт для збалансування: загальний заряд з кожного боку реакції. Якщо перевірити кожну сторону цієї реакції, то зауважте, що обидві сторони мають нульовий чистий заряд.

Водень знижується в реакції. Збалансована реакція зменшення половини виглядає наступним чином:

\[\ce{2H^{+} + 2e^{−} → H2} \nonumber \]

З кожного боку є два атоми водню, і два електрони, записані як реагенти, служать для нейтралізації заряду 2+ на реагентах іонів водню. Знову ж таки, загальний заряд з обох сторін дорівнює нулю.

Загальна реакція - це просто поєднання двох половинних реакцій і проявляється шляхом додавання їх разом.

Оскільки у нас є два електрони на кожній стороні рівняння, їх можна скасувати. Це ключовий критерій збалансованої окислювально-відновної реакції: електрони повинні точно скасувати. Якщо ми перевіримо заряд з обох сторін рівняння, ми побачимо, що вони однакові - 2+. (Насправді цей позитивний заряд врівноважується негативними зарядами іонів хлориду, які не включаються в цю реакцію, оскільки хлор не бере участі в перенесенні заряду.)

Окислювально-відновні реакції часто врівноважуються, балансуючи кожну окрему половину реакції, а потім поєднуючи дві збалансовані половинні реакції. Іноді половина реакції повинна мати всі свої коефіцієнти, помножені на деяке ціле число, щоб всі електрони скасували. Наступний приклад демонструє цей процес.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Reducing Silver Ions

Запишіть та збалансуйте окислювально-відновну реакцію, яка має іони срібла та метал алюмінію як реагенти та іони срібла та алюмінію як продукти. Визначте речовина окислене, речовина відновлене, відновник і відновник.

Рішення

Почнемо з використання символів елементів і іонів для представлення реакції:

\[\ce{Ag^{+} + Al → Ag + Al^{3+}} \nonumber \]

Рівняння виглядає збалансованим, як написано. Однак, коли ми порівнюємо загальні заряди з кожного боку рівняння, ми знаходимо заряд +1 зліва, але заряд +3 праворуч. Це рівняння не є належним чином збалансованим. Щоб збалансувати його, напишемо дві половинні реакції. Іони срібла відновлюються, і для зміни Ag ⁺ на Ag потрібно один електрон:

Зменшення напівреакції:\[\ce{Ag^{+} + e^{−} → Ag} \nonumber \]

Алюміній окислюється, втрачаючи три електрони для зміни з Al на Al ³ ⁺:

Полуреакція окислення:\[\ce{Al → Al^{3+} + 3e^{−}} \nonumber \]

Щоб об'єднати ці дві половинні реакції і скасувати всі електрони, нам потрібно помножити реакцію відновлення срібла на 3:

Тепер рівняння збалансоване не тільки з точки зору елементів, але і за рівнем заряду.

Окислена речовина - це реагент, який зазнав окислення: Al
Редукована речовина - це реагент, який зазнав відновлення: Ag ⁺
Відновлювач такий же, як і окислене речовина: Al
Окислювач такий же, як і відновлене речовина: Ag ⁺

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Запишіть та збалансуйте окислювально-відновну реакцію, яка має іони кальцію та метал калію як реагенти, а також іони металів кальцію та калію як продукти. Визначте речовина окислене, речовина відновлене, відновник і відновник.

Відповідь

Зменшення: Са ² ⁺ 2e ⁻ → Са

Окислення: 2 (K → K ⁺ e ⁻)

Комбіновані: Са ² ⁺ 2К → Са + 2К ⁺

Окислена речовина - це реагент, який зазнав окислення: К
Редукована речовина - це реагент, який зазнав відновлення: Са ² ⁺
Відновлювач такий же, як і окислене речовина: К
Окислювач такий же, як і відновлене речовина: Са ² ⁺

Калій був використаний як відновник для отримання різних металів у їх елементарній формі.

До вашого здоров'я: окислювально-відновні реакції та батареї кардіостимулятора

Усі батареї використовують окислювально-відновні реакції для постачання електроенергії, оскільки електрика - це в основному потік електронів, що передаються від однієї речовини до іншої. Кардіостимулятори - хірургічно імплантовані пристрої для регулювання серцебиття людини - живляться від крихітних батарей, тому правильна робота кардіостимулятора залежить від окислювально-відновної реакції.

Кардіостимулятори раніше харчувалися від акумуляторів NiCad, в яких нікель і кадмій (звідси і назва акумулятора) реагують з водою відповідно до цієї окислювально-відновної реакції:

\[\ce{Cd(s) + 2NiOOH(s) + 2H2O(ℓ) → Cd(OH)2(s) + 2Ni(OH) 2(s)} \nonumber \]

Кадмій окислюється, тоді як атоми нікелю в NiOOH відновлюються. За винятком води, всі речовини в цій реакції є твердими речовинами, що дозволяє заряджати батареї NiCad сотні разів, перш ніж вони припинять роботу. На жаль, акумулятори NiCad - це досить важкі батареї, які можна носити з собою в кардіостимуляторі. Сьогодні замість нього використовується більш легкий літій/йодний акумулятор. Йод розчиняється в твердій полімерній підтримці, і загальна окислювально-відновна реакція така:

\[\ce{2Li(s) + I2(s) → 2LiI (s)} \nonumber \]

Літій окислюється, а йод відновлюється. Хоча літій/йодний акумулятор не можна заряджати, однією з його переваг є те, що він служить до 10 років. Таким чином, людині з кардіостимулятором не доводиться турбуватися про періодичну підзарядку; приблизно раз на десятиліття людині потрібна незначна операція по заміні блоку кардіостимулятора/акумулятора. Літієві/йодні батареї також використовуються для живлення калькуляторів і годин.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Маленький кнопковий акумулятор, подібний до цього, використовується для живлення годинника, кардіостимулятора або калькулятора. (CC BY-SA; Герхард Н. Вруднігг через Вікіпедію)

Окислення і відновлення також можна визначити з точки зору зміни складу. Початкове значення окислення було «додавання кисню», тому, коли кисень додається до молекули, молекула окислюється. Зворотне вірно для відновлення: якщо молекула втрачає атоми кисню, молекула зменшується. Наприклад, молекула ацетальдегіду (\(\ce{CH3CHO}\)) приймає атом кисню, щоб стати оцтовою кислотою (\(\ce{CH3COOH}\)).

\[\ce{2CH3CHO + O2 → 2CH_3COOH} \nonumber \]

Таким чином відбувається окислення ацетальдегіду.

Аналогічно відновлення та окислення можна визначити з точки зору посилення або втрати атомів водню. Якщо молекула додає атоми водню, вона відновлюється. Якщо молекула втрачає атоми водню, молекула окислюється. Наприклад, при перетворенні ацетальдегіду в етанол (\(\ce{CH3CH2OH}\)) атоми водню додаються до ацетальдегіду, тому ацетальдегід знижується:

\[\ce{CH3CHO + H2 → CH3CH2OH} \nonumber \]

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Окислювально-відновні реакції та зміни кисню та водню.
Процес	Зміна кисню (деякі реакції)	Зміна водню (деякі реакції)
Окислення	виграш	втрачати
Зменшення	втрачати	виграш

Приклад\(\PageIndex{2}\)

У кожному перетворенні вказуйте, чи відбувається окислення або відновлення.

N ₂ → Н ₃
СН ₃ СН ₂ ОХН ₃ → СН ₃ КОЧ ₃
ЧХОО → ЧОХОА

Рішення

Водень додається до вихідної молекули реагенту, тому відбувається відновлення.
Водень видаляється з вихідної молекули реагенту, тому відбувається окислення.
Кисень додається до вихідної молекули реагенту, тому відбувається окислення.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

У кожному перетворенні вказуйте, чи відбувається окислення або відновлення.

СН ₄ → СО ₂ + Н ₂ О
НІ ₂ → Н ₂
СН ₂ = СН ₂ → СН ₃ СН ₃

Відповідь a:: Додається кисень. Відбувається окислення.

Відповідь б:: Видаляється кисень. Відбувається скорочення.

Відповідь a:: Додається водень. Відбувається скорочення.

Ключ на винос

Хімічні реакції, в яких переносяться електрони, називаються окислювально-відновними, або окислювально-відновними, реакціями. Окислення - це втрата електронів. Зменшення - це посилення електронів. Окислення і відновлення завжди відбуваються разом, хоча їх можна записати як окремі хімічні рівняння.