5.7: Окислювально-відновні реакції та зелена хімія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18651

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

Багато реакцій, включаючи деякі з тих, що наведені в попередньому розділі, є окислювально-відновними реакціями, які часто називають окислювально-відновними реакціями. Ця назва походить від тривалого використання окислення для опису реакції речовини з киснем. Розглянемо наступну реакцію елементарного кальцію з елементарним киснем:

\[\ce{2Ca + O2 \rightarrow 2CaO}\]

Поєднуючись з киснем, Са окислюється. Всякий раз, коли щось окислюється, щось інше доводиться зменшувати. При цьому елементний кисень відновлюється з отриманням оксидного іона, O2-in CaO. З цієї реакції видно, що атоми кальцію втрачають електрони, коли вони окислюються, а атоми кисню отримують електрони. Це призводить до іншого визначення окислювально-відновних реакцій, яке полягає в тому, що коли хімічний вид втрачає електрони в хімічній реакції, він окислюється, а коли вид отримує електрони, він зменшується.

Елементарний водень зазвичай бере участь в окисленні-відновленні. Всякий раз, коли хімічний вид реагує з елементарним воднем, він зменшується. Як приклад, оксид заліза (II) FeO може реагувати з елементарним воднем,

\[\ce{FeO + H2 \rightarrow Fe + H2O}\]

У цьому випадку Fe в FeO відновлюється до металу заліза, а водень в елементарному H ₂ окислюється до H ₂ O.

Коли елементарний кисень реагує на отримання хімічно комбінованого кисню, він діє як окислювач і відновлюється. А коли елементарний водень реагує на отримання хімічно комбінованого водню, він діє як відновник і окислюється. Розглянемо, що відбувається при виникненні протилежних реакцій. Коли хімічно комбінований кисень виділяється як елементарний кисень з хімічної реакції, кисень окислюється. А коли елементарний водень виділяється в результаті хімічної реакції, водень відновлюється. Хорошу ілюстрацію цих визначень можна побачити, коли постійний електричний струм пропускається між двома металевими електродами через воду, зроблену електропровідною шляхом розчинення в ній солі, такої як Na ₂ SO ₄, як показано на малюнку 5.1. На лівому електроді в систему закачуються електрони, що знижують хімічно пов'язаний Н в Н ₂ О до елементарного Н ₂. Електрод, при якому відбувається зменшення, називається катодом. На іншому електроді з системи видаляються електрони, виділяється _{елементарний О 2}, а кисень в Н ₂ О окислюється. Електрод, при якому відбувається окислення, називається анодом.

Малюнок 5.1. Електроліз води, що містить деяку кількість розчиненої солі, щоб зробити її електрично провідною. На лівому електроді (катоді) Н в Н ₂ О зменшується додаванням електронів, що виділяють Н ₂ газ. На правому електроді (аноді) електрони видаляються з хімічно зв'язаного O в H ₂ O, що виділяє _{елементарний О 2} і кисень окислюється.

Реакція, показана вище, є реакцією електролізу. Вона дуже значуща в практиці зеленої хімії, оскільки є засобом отримання чистого водню і чистого кисню з води без застосування будь-яких інших хімічних реагентів. Наприклад, за допомогою екологічно чистого джерела енергії, такого як енергія вітру, можна генерувати елементарний водень для використання в екологічно чистих паливних елементах (див. Рис. 3.2 та главу 16)

Окислювально-відновні реакції дуже значні в процесах перетворення енергії. Важливим прикладом є фотосинтез,

\[\ce{6CO2 + 6H2O + h \nu \rightarrow C6H12O6 + 6O2}\]

в якому сонячна енергія (\(h \nu\)) від сонячного світла використовується рослинами для отримання цукру глюкози, C ₆ H ₁₂ O ₆, високоенергетична сполука, яка використовується організмами для забезпечення енергією своїх метаболічних потреб. Так як виробляється елементарний кисень, кисень окислюється. Хоча це не очевидно, виходячи з обговорення окислення-відновлення досі, вуглець зменшується; вуглець у продукті C ₆ H ₁₂ O ₆ зменшується порівняно з вуглецем у реагенті CO ₂. Зворотна реакція, показана на початку цієї глави, є

\[\ce{C6H12O6 + 6O2 \rightarrow 6CO2 + 6H2O + energy}\]

що відбувається, коли організми, включаючи людину, використовують глюкозний цукор для виробництва енергії. При цьому реагує кисень, явний процес окислення. Кисень відновлюється і вуглець окислюється під дією елементарного кисню.

Дуже поширена окислювально-відновна реакція відбувається, коли викопне паливо спалюється для отримання енергії. Одна з таких реакцій відбувається при згорянні природного газу (метан, СН ₄),

\[\ce{CH4 + 2O2 \rightarrow CO2 + 2H2O + energy}\]

виробляти вуглекислий газ і воду, виділяючи енергію. Спалювання бензину, дизельного палива, вугілля, деревини та навіть водневого газу - це окислювально-відновні реакції, в яких вуглець або водень окислюються під дією кисню, що дає корисну енергію.

Окислювально-відновні реакції є найважливішими видами реакцій, що розглядаються в зеленій хімії. Це вірно частково через центральну роль, яку в даний час відіграє окислення викопного палива та інших матеріалів у виробництві енергії, необхідної для хімічних процесів. Крім того, найпоширенішою сировиною, яка в даний час використовується для виготовлення пластмас, синтетичних тканин та інших матеріалів, що виготовляються, є нафтовий вуглеводень. Існує багато вуглеводневих сполук, які містять хімічно пов'язаний вуглець і водень. Типовим таким з'єднанням є етан, С ₂ Н ₆. Водень і вуглець у вуглеводні знаходяться в найбільш хімічно відновленому вигляді, але необхідною сировиною часто є частково окислені вуглеводні, в яких атоми O пов'язані з вуглеводнем (повне окислення вуглеводню дає CO ₂ і H ₂ O). Етанол, C ₂ H ₆ O, використовується в хімічному синтезі і як оксигенізована добавка для того, щоб бензин горів більш плавно з викидом меншої кількості забруднювачів повітря є частково окисленим вуглеводнем.

Велика кількість матеріалів і енергії витрачається на перетворення нафтових вуглеводнів в частково окислені сполуки, що використовуються в якості сировини. Наприклад, етанол може бути виготовлений з етану, взятого з нафти та природного газу, за допомогою ряду хімічних реакцій, для яких чистий процес полягає в наступному:

\[\ce{2C2H6 + O2 \rightarrow 2C2H6O}\]

Це перетворення вимагає відносно важких умов і чистої втрати енергії. Більш зеленою альтернативою є використання глюкозного цукру, виробленого фотосинтезом (реакція 5.7.3), для вирощування дріжджів, які виробляють продукт етанолу

\[\ce{C6H12O6 \rightarrow 2C2H6O + 2CO2}\]

процес, який відбувається в умовах кімнатної температури. На додаток до виготовлення етанолу, цей процес бродіння дає вуглекислий газ у концентрованій формі, який може бути використаний для газованих напоїв, надкритичного розчинника вуглекислого газу або перекачується під землю для третинного відновлення нафти. Багата білком дріжджова біомаса, що утворюється в процесі бродіння, робить хорошу кормову добавку для тварин.