Perubahan satu bahan kepada bahan lain dengan pembentukan sebatian baru dipanggil tindak balas kimia. Memahami proses ini sangat penting untuk kehidupan orang ramai, kerana dengan bantuannya anda boleh mendapatkan sejumlah besar bahan yang diperlukan dan berguna yang terdapat di alam semula jadi dalam kuantiti yang kecil atau tidak wujud sama sekali dalam bentuk semula jadinya. Antara jenis yang paling penting ialah tindak balas redoks (disingkat OVR atau redoks). Ia dicirikan oleh perubahan dalam keadaan pengoksidaan atom atau ion.
Proses yang berlaku semasa tindak balas
Semasa tindak balas, dua proses berlaku - pengoksidaan dan pengurangan. Yang pertama daripada mereka dicirikan oleh pendermaan elektron dengan agen penurun (penderma) dengan peningkatan dalam keadaan pengoksidaan mereka, yang kedua dengan penambahan elektron oleh agen pengoksidaan (penerima) dengan penurunan dalam keadaan pengoksidaan mereka. Agen penurun yang paling biasa ialah logam dan sebatian bukan logam dalam keadaan pengoksidaan terendah (hidrogen sulfida, ammonia). tipikalagen pengoksidaan adalah halogen, nitrogen, oksigen, serta bahan yang mengandungi unsur dalam keadaan pengoksidaan tertinggi (asid nitrik atau sulfurik). Atom, ion, molekul boleh menderma atau memperoleh elektron.
Sebelum tahun 1777, telah dihipotesiskan bahawa pengoksidaan mengakibatkan kehilangan bahan mudah terbakar yang tidak kelihatan yang dipanggil phlogiston. Walau bagaimanapun, teori pembakaran yang dicipta oleh A. Lavoisier meyakinkan saintis bahawa pengoksidaan berlaku apabila berinteraksi dengan oksigen, dan pengurangan berlaku di bawah tindakan hidrogen. Hanya selepas beberapa ketika ia menjadi jelas bahawa bukan sahaja hidrogen dan oksigen boleh menjejaskan tindak balas redoks.
Pengoksidaan
Proses pengoksidaan boleh berlaku dalam fasa cecair dan gas, serta pada permukaan pepejal. Peranan khas dimainkan oleh pengoksidaan elektrokimia yang berlaku dalam larutan atau cair pada anod (elektrod yang disambungkan ke kutub positif sumber kuasa). Contohnya, apabila fluorida dileburkan melalui elektrolisis (penguraian bahan menjadi unsur konstituennya pada elektrod), agen pengoksida tak organik terkuat, fluorin, diperolehi.
Satu lagi contoh klasik pengoksidaan ialah pembakaran dalam udara dan oksigen tulen. Pelbagai bahan mampu melakukan proses ini: logam dan bukan logam, sebatian organik dan bukan organik. Kepentingan praktikal ialah pembakaran bahan api, yang kebanyakannya merupakan campuran kompleks hidrokarbon dengan sejumlah kecil oksigen, sulfur, nitrogen dan unsur-unsur lain.
Pengoksida klasik –oksigen
Bahan ringkas atau sebatian kimia di mana atom melekatkan elektron dipanggil agen pengoksidaan. Contoh klasik bahan tersebut ialah oksigen, yang bertukar menjadi oksida selepas tindak balas. Tetapi juga agen pengoksidaan dalam tindak balas redoks ialah ozon, yang dikurangkan kepada bahan organik (contohnya, keton dan aldehid), peroksida, hipoklorit, klorat, asid nitrik dan sulfurik, oksida mangan dan permanganat. Mudah untuk melihat bahawa semua bahan ini mengandungi oksigen.
Pengoksida biasa lain
Namun, tindak balas redoks bukan sahaja proses yang melibatkan oksigen. Sebaliknya, halogen, kromium dan juga kation logam dan ion hidrogen (jika ia bertukar menjadi bahan ringkas akibat tindak balas) boleh bertindak sebagai agen pengoksidaan.
Berapa banyak elektron yang akan diterima bergantung pada kepekatan agen pengoksidaan, serta pada aktiviti logam yang berinteraksi dengannya. Contohnya, dalam tindak balas asid nitrik pekat dengan logam (zink), 3 elektron boleh diterima, dan dalam interaksi bahan yang sama, dengan syarat asid itu dalam bentuk yang sangat cair, sudah 8 elektron.
Pengoksida terkuat
Semua agen pengoksida berbeza dalam kekuatan sifatnya. Jadi, ion hidrogen mempunyai keupayaan pengoksidaan yang rendah, manakala klorin atom, yang terbentuk dalam aqua regia (campuran asid nitrik dan hidroklorik dalam nisbah 1:3), boleh mengoksida walaupun emas dan platinum.
Asid selenik pekat mempunyai sifat yang serupa. Ini menjadikannya unik antara asid organik lain. Apabila dicairkan, ia tidak dapat berinteraksi dengan emas, tetapi ia masih lebih kuat daripada asid sulfurik, malah boleh mengoksidakan asid lain, seperti asid hidroklorik.
Contoh lain agen pengoksidaan yang kuat ialah kalium permanganat. Ia berjaya berinteraksi dengan sebatian organik dan mampu memecahkan ikatan karbon yang kuat. Kuprum oksida, cesium ozonide, cesium superoxide, serta xenon difluoride, tetrafluoride dan xenon hexafluoride juga mempunyai aktiviti yang tinggi. Keupayaan pengoksidaan mereka adalah disebabkan oleh potensi elektrod yang tinggi apabila bertindak balas dalam larutan akueus cair.
Namun, terdapat bahan di mana potensi ini lebih tinggi. Di antara molekul bukan organik, fluorin adalah agen pengoksidaan terkuat, tetapi ia tidak dapat bertindak ke atas xenon gas lengai tanpa haba dan tekanan tambahan. Tetapi ini berjaya diatasi oleh platinum hexafluoride, difluorodioxide, krypton difluoride, silver difluoride, garam perak divalen dan beberapa bahan lain. Untuk keupayaan uniknya untuk meredoks tindak balas, ia diklasifikasikan sebagai pengoksida yang sangat kuat.
Pemulihan
Pada asalnya, istilah "pemulihan" adalah sinonim dengan penyahoksidaan, iaitu, kekurangan bahan oksigen. Walau bagaimanapun, dari masa ke masa, perkataan itu memperoleh makna baru, ia bermaksud pengekstrakan logam daripada sebatian yang mengandunginya, serta sebarang perubahan kimia di manabahagian elektronegatif sesuatu bahan digantikan dengan unsur bercas positif, seperti hidrogen.
Kerumitan proses bergantung sebahagian besarnya pada pertalian kimia unsur-unsur dalam sebatian. Lebih lemah ia, lebih mudah tindak balas dijalankan. Biasanya, pertalian lebih lemah dalam sebatian endotermik (haba diserap semasa pembentukannya). Pemulihan mereka agak mudah. Contoh yang menarik ialah bahan letupan.
Untuk tindak balas yang melibatkan sebatian eksotermik (dibentuk dengan pembebasan haba), sumber tenaga yang kuat, seperti arus elektrik, mesti digunakan.
Ejen pengurangan standard
Agen penurun yang paling kuno dan biasa ialah arang batu. Ia bercampur dengan oksida bijih, apabila dipanaskan, oksigen dibebaskan daripada campuran, yang bergabung dengan karbon. Hasilnya ialah serbuk, butiran atau aloi logam.
Satu lagi agen penurun biasa ialah hidrogen. Ia juga boleh digunakan untuk melombong logam. Untuk melakukan ini, oksida tersumbat ke dalam tiub di mana aliran hidrogen dilalui. Pada asasnya, kaedah ini digunakan untuk tembaga, plumbum, timah, nikel atau kob alt. Anda boleh menggunakannya pada besi, tetapi pengurangannya tidak akan lengkap dan air terbentuk. Masalah yang sama diperhatikan apabila cuba merawat zink oksida dengan hidrogen, dan ia diburukkan lagi oleh kemeruapan logam. Kalium dan beberapa unsur lain tidak dikurangkan oleh hidrogen sama sekali.
Ciri tindak balas dalam kimia organik
Sedang dijalankanzarah pengurangan menerima elektron dan dengan itu menurunkan nombor pengoksidaan salah satu atomnya. Walau bagaimanapun, adalah mudah untuk menentukan intipati tindak balas dengan menukar keadaan pengoksidaan dengan penyertaan sebatian tak organik, manakala dalam kimia organik adalah sukar untuk mengira nombor pengoksidaan, ia selalunya mempunyai nilai pecahan.
Untuk menavigasi tindak balas redoks yang melibatkan bahan organik, anda perlu mengingati peraturan berikut: pengurangan berlaku apabila sebatian melepaskan atom oksigen dan memperoleh atom hidrogen, dan sebaliknya, pengoksidaan dicirikan oleh penambahan oksigen.
Proses pengurangan adalah kepentingan praktikal yang besar untuk kimia organik. Dialah yang mendasari penghidrogenan pemangkin yang digunakan untuk tujuan makmal atau industri, khususnya, penulenan bahan dan sistem daripada kekotoran hidrokarbon dan oksigen.
Tindak balas boleh diteruskan pada suhu dan tekanan rendah (masing-masing sehingga 100 darjah Celsius dan 1-4 atmosfera), dan pada suhu tinggi (sehingga 400 darjah dan beberapa ratus atmosfera). Penghasilan bahan organik memerlukan instrumen yang kompleks untuk menyediakan keadaan yang betul.
Logam kumpulan platinum aktif atau nikel, kuprum, molibdenum dan kob alt tidak berharga digunakan sebagai pemangkin. Pilihan terakhir adalah lebih menjimatkan. Pemulihan berlaku disebabkan oleh penyerapan serentak substrat dan hidrogen dengan pemudahan tindak balas antara keduanya.
Tindak balas pengurangan diteruskandan di dalam tubuh manusia. Dalam sesetengah kes, ia boleh berguna dan juga penting, dalam kes lain ia boleh membawa kepada akibat negatif yang serius. Sebagai contoh, sebatian yang mengandungi nitrogen dalam badan ditukar kepada amina primer, yang, antara fungsi berguna lain, membentuk bahan protein yang merupakan bahan binaan tisu. Pada masa yang sama, makanan yang dicelup aniline menghasilkan sebatian toksik.
Jenis tindak balas
Apakah jenis tindak balas redoks, ia menjadi jelas jika anda melihat kehadiran perubahan dalam keadaan pengoksidaan. Tetapi dalam jenis transformasi kimia ini, terdapat variasi.
Jadi, jika molekul bahan yang berbeza mengambil bahagian dalam interaksi, satu daripadanya termasuk atom pengoksida, dan satu lagi agen penurunan, tindak balas itu dianggap antara molekul. Dalam kes ini, persamaan tindak balas redoks boleh menjadi seperti berikut:
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
Persamaan menunjukkan bahawa keadaan pengoksidaan besi dan hidrogen berubah, manakala ia adalah sebahagian daripada bahan yang berbeza.
Tetapi terdapat juga tindak balas redoks intramolekul, di mana satu atom dalam sebatian kimia teroksida dan satu lagi dikurangkan, dan bahan baharu diperoleh:
2J2O=2J2 + O2.
Proses yang lebih kompleks berlaku apabila unsur yang sama bertindak sebagai penderma dan penerima elektron dan membentuk beberapa sebatian baharu, yang termasuk dalam keadaan pengoksidaan yang berbeza. Proses sedemikian dipanggildismutasi atau disproportionation. Contohnya ialah transformasi berikut:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
Dari persamaan tindak balas redoks di atas, dapat dilihat bahawa garam Bertolet, di mana klorin berada dalam keadaan pengoksidaan +5, terurai kepada dua komponen - kalium klorida dengan keadaan pengoksidaan klorin -1 dan perklorat dengan nombor pengoksidaan +7. Ternyata unsur yang sama meningkat secara serentak dan menurunkan keadaan pengoksidaannya.
Kebalikan proses dismutasi ialah tindak balas coproportionation atau reproportionation. Di dalamnya, dua sebatian, yang mengandungi unsur yang sama dalam keadaan pengoksidaan yang berbeza, bertindak balas antara satu sama lain untuk membentuk bahan baharu dengan nombor pengoksidaan tunggal:
SO2 +2J2S=3S + 2J2O.
Seperti yang anda boleh lihat daripada contoh di atas, dalam beberapa persamaan, bahan didahului dengan nombor. Mereka menunjukkan bilangan molekul yang terlibat dalam proses dan dipanggil pekali stoikiometri tindak balas redoks. Agar persamaan itu betul, anda perlu tahu cara menyusunnya.
Kaedah E-balance
Imbangan dalam tindak balas redoks sentiasa dipelihara. Ini bermakna bahawa agen pengoksidaan menerima sama banyak elektron seperti yang diberikan oleh agen penurunan. Untuk mengarang persamaan dengan betul bagi tindak balas redoks, anda perlu mengikut algoritma ini:
- Tentukan keadaan pengoksidaan unsur sebelum dan selepas tindak balas. Contohnya, dalamtindak balas antara asid nitrik dan fosforus dengan kehadiran air menghasilkan asid fosforik dan oksida nitrik: HNO3 + P + H2O=H3PO4 + NO. Hidrogen dalam semua sebatian mempunyai keadaan pengoksidaan +1, dan oksigen mempunyai -2. Untuk nitrogen, sebelum tindak balas bermula, nombor pengoksidaan ialah +5, dan selepas ia meneruskan +2, untuk fosforus - 0 dan +5, masing-masing.
- Tandakan unsur di mana nombor pengoksidaan telah berubah (nitrogen dan fosforus).
- Karang persamaan elektronik: N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- Samakan bilangan elektron yang diterima dengan memilih gandaan sepunya terkecil dan mengira pengganda (nombor 3 dan 5 adalah pembahagi untuk nombor 15, masing-masing, pengganda untuk nitrogen ialah 5, dan untuk fosforus 3): 5N +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- Tambahkan separuh tindak balas yang terhasil mengikut bahagian kiri dan kanan: 5N+5 + 3P0=5N + 2 - ke-15=3Р+5. Jika semuanya dilakukan dengan betul pada peringkat ini, elektron akan mengecut.
- Tulis semula persamaan sepenuhnya, letakkan pekali mengikut neraca elektronik tindak balas redoks: 5HNO3 + 3P + H2 O=3J 3PO4 + 5NO.
- Periksa sama ada bilangan unsur sebelum dan selepas tindak balas kekal sama di semua tempat, dan jika perlu, tambahkan pekali di hadapan bahan lain (dalam contoh ini, jumlah hidrogen dan oksigen tidak sama, supaya persamaan tindak balas untuk kelihatan betul, anda perlu menambah pekali di hadapanair): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5NO.
Kaedah mudah sedemikian membolehkan anda meletakkan pekali dengan betul dan mengelakkan kekeliruan.
Contoh tindak balas
Contoh ilustrasi tindak balas redoks ialah interaksi mangan dengan asid sulfurik pekat, meneruskan seperti berikut:
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
Tindak balas redoks diteruskan dengan perubahan dalam keadaan pengoksidaan mangan dan sulfur. Sebelum permulaan proses, mangan berada dalam keadaan tidak terikat dan mempunyai keadaan pengoksidaan sifar. Tetapi apabila berinteraksi dengan sulfur, yang merupakan sebahagian daripada asid, ia meningkatkan keadaan pengoksidaan kepada +2, dengan itu bertindak sebagai penderma elektron. Sulfur, sebaliknya, memainkan peranan sebagai penerima, menurunkan keadaan pengoksidaan daripada +6 kepada +4.
Namun, terdapat juga tindak balas di mana mangan bertindak sebagai penerima elektron. Sebagai contoh, ini ialah interaksi oksidanya dengan asid hidroklorik, berjalan mengikut tindak balas:
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
Tindak balas redoks dalam kes ini diteruskan dengan penurunan dalam keadaan pengoksidaan mangan daripada +4 kepada +2 dan peningkatan dalam keadaan pengoksidaan klorin daripada -1 kepada 0.
Sebelum ini, pengoksidaan sulfur oksida dengan nitrogen oksida dengan kehadiran air, yang menghasilkan 75% asid sulfurik, adalah sangat penting secara praktikal:
SO2 + NO2 + H2O=NO + H2So4.
Tindak balas redoks pernah dijalankan di menara khas, dan hasil akhir dipanggil menara. Sekarang kaedah ini jauh dari satu-satunya dalam pengeluaran asid, kerana terdapat kaedah moden lain, sebagai contoh, hubungi menggunakan pemangkin pepejal. Tetapi mendapatkan asid melalui kaedah tindak balas redoks bukan sahaja mempunyai kepentingan industri, tetapi juga sejarah, kerana ia adalah proses sedemikian yang secara spontan berlaku di udara London pada Disember 1952.
Antisiklon itu kemudiannya membawa cuaca sejuk yang luar biasa, dan penduduk bandar mula menggunakan banyak arang batu untuk memanaskan rumah mereka. Oleh kerana sumber ini tidak berkualiti selepas perang, sejumlah besar sulfur dioksida tertumpu di udara, yang bertindak balas dengan kelembapan dan nitrogen oksida di atmosfera. Akibat fenomena ini, kematian bayi, warga emas dan mereka yang menghidap penyakit pernafasan telah meningkat. Acara itu diberi nama Great Smog.
Oleh itu, tindak balas redoks sangat penting. Memahami mekanismenya membolehkan anda memahami dengan lebih baik proses semula jadi dan mencapai bahan baharu dalam makmal.
