Что такое окисление и восстановление и их связь с периодическим законом Д. И. Менделеева
Все химические реакции, встречающиеся в неорганической химии, можно разделить на два типа:
1) Реакции, протекающие без изменения валентности реагирующих элементов. Сюда относятся реакции, подчиняющиеся правилу: реакции между ионами в растворах электролитов идут практически до конца в сторону образования газов, осадков, слабых электролитов или комплексных соединений (ионов).
Например:
1. 2Na• + S» + 2Н• + 2Сl» = ↑H2S + 2Na• + 2Cl‘
2. Pb•• + 2NO‘3 + 2K• + SO»4 = ↓ PbSO4 + 2K• + 2NO‘3
3. 2K• + 2oh‘ + 2H• + SO»4 = 2н2о+ 2K• + SO»4
4. Fe•• + 2CN‘ + 4K• + 4CN‘ = [Fe(CN)6]»» + 4K• = K4[Fe(CN)6].
Рис. Прибор для осуществления реакции между цинком и свинцовой солью на расстоянии.
Что такое окисление
В таких реакциях ионы, переходя из одних соединений в другие, не меняют своей валентности, т. е. в таких реакциях конечные продукты состоят из тех же самых ионов, что и исходные, только находящиеся в другой перегруппировке (комбинации). Это зависит от направляющей, или ведущей, реакции. Направляющей, или ведущей, реакцией называется реакция, которая смещает равновесие в одну сторону, т. е. в сторону образования газа, осадка, слабого электролита или комплексного иона.
2) Реакции, протекающие с изменением валентности реагирующих элементов. К данному типу относятся реакции окисления-восстановления.
Окислительно-восстановительные процессы имеют исключительно большое значение в теории и практике.
Получение в технике и лабораторной практике простых веществ (металлов и неметаллов): железа, хрома, марганца, никеля, кобальта, вольфрама, меди, серебра, цинка, серы, хлора, йода и т. д. — основано на восстановлении или окислении их соответствующих соединений. В основе получения ценных химических продуктов, как, например, аммиака, щелочей, сернистого газа, азотной, серной и других кислот, также лежат окислительно-восстановительные реакции. На процессах окисления-восстановления в аналитической химии основаны методы объёмного анализа: перманганатометрия, йодометрия, броматометрия и другие, играющие особо важную роль в контроле за правильным ведением процесса как на производстве, так и при выполнении научных работ. Окисление-восстановление есть один из важнейших процессов живой и мёртвой природы. Дыхание, усвоение углекислого газа растениями с выделением кислорода, обмен веществ и протекание целого ряда биологических процессов в основе своей представляют те или иные окислительно-восстановительные реакции.
Окисление и восстановление для человека давно стало применимо на практике, вначале не понимая их сущности.
С течением времени (XVII век) развитие металлургии поставило вопрос о необходимости создания теории, которая смогла бы объяснить процессы окисления-восстановления. Вначале была выдвинута (Шталем в 1723 г.) теория флогистона (от греческого слова «флогистос», что значит горючий). Согласно этой теории, все тела, способные гореть и окисляться, содержали особое вещество — флогистон, который из них удалялся при горении или окислении.
Например, при накаливании железа на воздухе флогистон удалялся, а металл превращался в «землистое вещество» — окалину: железо = железная окалина + флогистон.
Добавляя к окисленному веществу (окалине) флогистон, содержащиеся в богатом им материале, например угле, можно получить чистый металл: железная окалина + флогистон = железо.
В эпоху флогистонной теории подробному изучению были подвергнуты различные металлы, окислы и соли, открыто большинство газов. Она привела в систему большинство фактов, известных в то время химикам.
Основным недостатком этой теории было то обстоятельство, что получаемая при прокаливании окалина (окисленный металл) весит больше, чем исходный металл (неокисленный).
Увеличение веса сторонники флогистонной теории пытались объяснить тем, что якобы флогистон имеет «отрицательный вес». Но такое объяснение являлось неправдоподобным и необоснованным. Всё большее число новых открытий либо нельзя было объяснить с точки зрения этой теории, либо они противоречили ей. Поэтому теория флогистона к концу своего почти столетнего господства из фактора прогресса науки превратилась в её тормоз.
Она должна была уступить место новой, более прогрессивной кислородной теории. Первым, кто доказал несостоятельность флогистонной теории, был наш великий русский учёный М. В. Ломоносов.
На основании своих опытов по прокаливанию металлов в присутствии воздуха в запаянных сосудах он доказал, что при окислении металлов частички воздуха соединяются с обжигаемым телом и увеличивают его вес. «Без пропущения внешнего воздуха вес сожжённого металла остаётся в одной мере» (М. В. Ломоносов).
Из опытов Ломоносова вытекало, что увеличение веса при сжигании металлов не может быть объяснено потерей ими флогистона. Затем было установлено, что окисление металла есть не отдача им какого-то флогистона, а соединение металла с кислородом, находящимся в воздухе:
металл + кислород = окись металла (окалина).
К концу XVIII века получила завершение кислородная теория, согласно которой окисление — это процесс соединения вещества с кислородом: 2Сu + O2 = 2СuО, восстановление— отнятие от него кислорода: СuО + Н2 = Сu + Н2O.
Несколько позже под окислением стали разуметь не только присоединение кислорода, но также и отнятие водорода. В свою очередь, и восстановлением стали считать не только отнятие кислорода, но также и присоединение водорода.
Ещё позднее под окислением стали понимать увеличение валентности по кислороду или уменьшение валентности по водороду, и наоборот: под восстановлением — уменьшение валентности по кислороду или увеличение валентности по водороду. Например, сера восстанавливается,
сера окисляется.
Кислородная теория сыграла огромную роль в химии. В частности, она позволила использовать точные количественные методы в промышленности.
Однако с развитием науки накопилось много фактов, которые нельзя было объяснить и кислородной теорией. Сюда относится огромное число окислительно-восстановительных процессов, протекающих при электролизе, соединение металлов с хлором, бромом, серой и подобными им элементами, восстановление металлов из их бескислородных соединений, как, например:
Mg + CuCl2 = Сu + MgCl2
и другие.
К концу XIX и началу XX века на смену кислородной теории пришла более совершенная — электронная теория окислительно-восстановительных процессов. Эта теория объяснила окисление и восстановление как процессы, обусловливаемые переходом электронов. Поэтому теперь термину «окисление-восстановление» придают более широкое и глубокое значение. В химических реакциях, протекающих с изменением валентности, происходит переход электронов от одних атомов, молекул или ионов к другим.
Электронно-ионную теорию процессов окисления-восстановления разработали русские учёные Л. В. Писаржевский, Я. И. Михайленко, А. М. Беркенгейм и С. В. Дайн.
Электронно-ионную теорию составляют следующие основные положения:
1. Окислением называется процесс отдачи атомом, молекулой или ионом электронов. Если атом отдаёт свои электроны, то он из нейтрального атома становится положительно заряженным ионом, например S0—4ē→S+4. Если отрицательно заряженный ион теряет электроны, то он переходит либо в нейтральный атом: S —2ē→S0, либо в положительно заряженный ион: S-2 — 6ē→S+4. Если теряет электроны положительно заряженный ион, то величина его положительного заряда увеличивается соответственно числу теряемых им электронов: S+4 — 2ē→S+6.
2. Восстановлением называется процесс присоединения атомом, молекулой или ионом электронов. Если атом присоединяет электроны, то он превращается в отрицательно заряженный ион: S0 + 2ē → S-2. Если положительно заряженный ион принимает электроны, то он переходит либо в положительно заряженный ион низшей зарядности: S+6 + 2ē→S+4 , либо в нейтральный атом: S+6 + 6ē→ 5°, либо в отрицательно заряженный ион: S+6 + 8ē → S-2.
3. Окислителями служат: нейтральный атом, молекула или ион, принимающие электроны.
4. Восстановителями служат: нейтральный атом, молекула или ион, отдающие электроны.
Для дальнейшего освещения вопроса несущественно, переходят ли электроны с одного атома на другой полностью, т. е. возникает ли чисто ионная связь, или электроны оттягиваются частично к одному из них. Для простоты мы будем говорить только о присоединении или об отдаче электронов.
Окислитель во время реакции сам восстанавливается, а восстановитель окисляется. Окисление невозможно без одновременно протекающего с ним восстановления, и наоборот: восстановление одного вещества невозможно без одновременного окисления другого. Поэтому каждая реакция, сопровождающаяся переходом электронов, является единством двух противоположных процессов: окисления и восстановления. Все такие реакции в настоящее время принято называть окислительно-восстановительными.
Для того чтобы составить уравнение окислительно-восстановительной реакции, необходимо знать, от каких из участвующих в реакции атомов, молекул или ионов и к каким атомам, молекулам или ионам переходят электроны и в каком количестве.
Ответ на поставленные вопросы можно получить, прежде всего руководствуясь периодическим законом Д. И. Менделеева ), а также ионизационными потенциалами.
Статья на тему Окисление и восстановление