Propriedades de reabilitação oxidativa dos compostos. Eletricidade

A reação química é chamada de processo, como resultado dos quais os materiais de partida são convertidos em produtos de reação. Substâncias obtidas após o final da reação são chamadas de produtos. A partir da inicial, eles podem diferir na estrutura, composição ou ambos, e outros.

De acordo com a mudança na composição, os seguintes tipos de reações químicas são distinguidos:

• com uma mudança na composição (tal grande);
• sem mudar a composição (isomerização e transformação de um modificação altrópica para outro).

Se a composição da substância não mudar como resultado da reação, a sua estrutura deve ser alterada, por exemplo: crafitscalmaz

Considere mais detalhadamente a classificação de reações químicas que ocorrem com uma mudança na composição.

I. Em termos do número e composição de substâncias

Reações de conexão

Como resultado de tais processos químicos, uma das várias substâncias é formada: A + em + ... \u003d com

Conecta pode:

• substâncias simples: 2NA + S \u003d Na2S;
• simples com complexo: 2so2 + o2 \u003d 2so3;
• dois complexos: CAO + H2O \u003d CA (OH) 2.
• mais de duas substâncias: 4FE + 3O2 + 6H2O \u003d 4FE (OH) 3

Decomposição de reação

Uma substância em tais reações é decomposta em vários outros: a \u003d B + C + ...

Produtos neste caso podem ser:

• substâncias simples: 2NACL \u003d 2NA + CL2
• simples e complexo: 2kno3 \u003d 2kno2 + O2
• dois complexos: caco3 \u003d CAO + CO2
• mais de dois produtos: 2agno3 \u003d 2AG + O2 + 2NO2

Reações de substituição

Tais reações nas quais a substância simples e complexa reagem entre si, e os átomos da substância simples substituem os átomos de um dos elementos no complexo, e é chamado de reações de substituição. Esquematicamente, o processo de substituição de átomos pode ser representado da seguinte forma: A + Sun \u003d B + SPEAVERS.

Por exemplo, CUSO4 + FE \u003d FESO4 + CU

Reações de troca

Este grupo inclui reações, durante as quais duas substâncias complexas mudam com suas partes: AV + CD \u003d ad + Cb. De acordo com a regra de Burtoll, o fluxo irreversível de tais reações é possível se pelo menos um dos produtos:

• espetama (substância insolúvel): 2naoh + Cuso4 \u003d CU (OH) 2 + Na2SO4;
• substância Malodissue: NaOH + HCL \u003d NACL + H2O;
• gás: NaOH + NH4Cl \u003d NACL + NH3 + H2O (primeira forma amônia hidratar o NH3 H2O, que, quando recebido, imediatamente se decompõe em amônia e água).

Ii. Em efeito térmico

1. Exotérmica - Processos que vazam com a liberação de calor:
   C + O2 \u003d CO2 + Q
2. Endotérmico - Reações em que o calor é absorvido:
   Cu (OH) 2 \u003d Cuo + H2O - Q

Iii Tipos de reações químicas na direção

1. Reversível Chamadas de reações fluindo para o mesmo ponto no tempo tanto em direção direta como na direção oposta: N2 + O2 ↔ 2No
2. Irreversível Os processos prossiga para o final, isto é, até pelo menos uma das substâncias reagentes é completamente completamente. Exemplos reações irreversíveis A troca foi discutida acima.

4. Pela presença de catalisador

V. De acordo com o estado agregativo de substâncias

1. Se todos os reagentes estiverem em estados agregados idênticos, a reação é chamada homogêneo . Processos ocorrem em todos os volumes. Por exemplo: NaOH + HCL \u003d NACL + H2O
2. Heterogêneo Eles chamam as reações entre substâncias que estão em diferentes estados agregados que fluem na superfície da seção de fase. Por exemplo: Zn + 2HCl \u003d ZNCL2 + H2

Vi. Tipos de reações químicas para alterar o grau de oxidação de substâncias reagindo

1. Oxidativo e recuperação (ORP) - Reações em que os graus de oxidação de reagentes são alterados.
2. Reações vazando sem mudar de grau de oxidação reagentes (BISO).

Sempre redox são processos de combustão e substituição. As reações cambiais prossiga sem alterar os graus de oxidação de substâncias. Todos os outros processos podem ser ambos ASP e BISO.

Definição

Grau de oxidação - Esta é uma avaliação quantitativa do estado do átomo do elemento químico no composto com base na sua eletronegatividade.

É preciso valores positivos e negativos. Para especificar o grau de oxidação do elemento na conexão, é necessário colocar em cima de seu símbolo do dígito árabe com o sinal correspondente ("+" ou "-").

Deve ser lembrado que o grau de oxidação é um valor que não tem um significado físico, uma vez que não reflete a carga real do átomo. No entanto, este conceito é muito utilizado em química.

Tabela do grau de oxidação de elementos químicos

O máximo grau negativo positivo e mínimo de oxidação pode ser determinado usando uma tabela periódica D.I. Mendeleeva. Eles são iguais ao número do grupo em que o elemento está localizado e a diferença entre o valor "mais alto" da oxidação e número 8, respectivamente.

Se considerarmos compostos químicos mais especificamente, em substâncias com ligações não polares, o grau de oxidação dos elementos é zero (N 2, H 2, CL2).

O grau de oxidação de metal no estado elementar é zero, uma vez que a distribuição de densidade eletrônica neles é uniformemente.

Em compostos iónicos comuns, o grau de oxidação dos elementos incluídos neles é igual à carga elétrica, uma vez que a formação desses compostos há uma transição quase completa de elétrons de um átomo para outro: Na +1 I -1, mg +2 CL -1 2, AL + 3 F - 1 3, ZR +4 BR -1 4.

Ao determinar o grau de oxidação de elementos em compostos com títulos covalentes polares, eles comparam os valores de suas negociações elétricas. Uma vez que, na formação de vínculo químico, os elétrons são deslocados para átomos de elementos mais eletronegativos, este último tem um grau negativo de oxidação nos compostos.

Existem elementos para os quais apenas um valor de grau de oxidação (fluorina, metais IA e grupos IIA, etc.). A flúor caracterizada pelo maior valor da electronegilidade, em compostos sempre tem um grau negativo constante de oxidação (-1).

Elementos da Terra alcalina e alcalina para os quais existe um valor relativamente baixo da eletronegatividade, sempre tem um grau positivo de oxidação igual a (+1) e (+2).

No entanto, há também elementos químicos para os quais vários graus de oxidação (enxofre - (-2), 0, (+2), (+4), (+6), etc.).

Para facilitar a lembrança de quantos e como os graus de oxidação são característicos de um elemento químico específico, use tabelas de oxidação elementos químicosque parecem assim:

Exemplos de resolver problemas

Exemplo 1.

• O grau de oxidação do fósforo em fosfina é (-3) e no ácido ortofosfórico - (+5). Mude o grau de oxidação de fósforo: +3 → +5, isto é. A primeira resposta é.
• O grau de oxidação do elemento químico em uma substância simples é zero. O grau de oxidação do fósforo no óxido de composição P 2 O5 é igual a (+5). Mude o grau de oxidação de fósforo: 0 → +5, isto é. Terceira opção de resposta.
• O grau de oxidação do fósforo na composição ácida do HPO 3 é igual a (+5) e H3 PO 2 - (+1). Mudanças no grau de oxidação de fósforo: +5 → +1, isto é. Quinta opção de resposta.

Exemplo 2.

Um dos principais conceitos não química orgânica é o conceito de oxidação (CO).

O grau de oxidação do elemento no composto é uma carga formal de um átomo de elemento calculado a partir do pressuposto de que os elétrons de valência vão a átomos com maior eletronegitabilidade relativa (OEO) e todas as conexões na molécula composta são iônicas.

O grau de oxidação do elemento e ponto acima do símbolo do elemento com o sinal "+" ou "-" na frente do dígito.

O grau de oxidação de íons, na verdade existente em solução ou cristais, coincide com o seu número de carga e é indicado de forma semelhante ao sinal "+" ou "" ou "" ou "" ", por exemplo, CA 2+.

O método do design da aro do grau de oxidação de números romanos após o símbolo do elemento também é usado: MN (VII), Fe (III).

A questão do sinal do grau de oxidação de átomos na molécula é resolvida com base na comparação de eletronegatenos relacionados entre si, que formam uma molécula. Neste caso, um átomo com menos eletronegatividade tem um grau positivo de oxidação, e com maior eletronegitabilidade é negativo.

Deve-se notar que é impossível identificar o grau de oxidação com a valência do elemento. Valência definida como um número laços químicosCom o qual este átomo está conectado a outros átomos, não pode ser zero e não tem um sinal "+" ou "" ". O grau de oxidação pode ter tanto positivo quanto significado negativoE também tomar zero e até mesmo valor fracionário. Assim, na molécula de CO 2, o grau de oxidação c é +4 e na molécula CH 4, o grau de oxidação c é igual a 4. a valência de carbono e, nou outro composto, é igual a 4.

Apesar das desvantagens acima, o uso do conceito de oxidação é conveniente ao classificar os compostos químicos e a preparação de equações de reações redox.

Dois processos inter-relacionados ocorrem durante reações de reação oxidativa: oxidação e recuperação.

Oxidação O processo de perda de elétrons é chamado. Restauração O processo de conectar elétrons.

Substâncias, átomos ou íons dos quais os elétrons são chamados agentes redutores. Substâncias, átomos ou íons, dos quais anexam elétrons (ou atrasam um par comum de elétrons), são chamados oxidadores.

Quando o elemento é oxidado, o grau de oxidação aumenta, em outras palavras, o agente redutor aumenta o grau de oxidação.

Pelo contrário, quando o elemento é restaurado, o grau de oxidação diminui, isto é, durante a reação, o oxidante reduz o grau de oxidação.

Assim, é possível dar tal formulação de reações redox: reações reduzidas oxidativas são chamadas de reações que fluem com uma mudança no grau de oxidação dos átomos de elementos que fazem parte das substâncias reagentes.

Oxidadores e agentes redutores

Para prever os produtos e direções de reações redox, é útil lembrar que os oxidantes típicos são substâncias simples cujos átomos têm um grande OEO\u003e 3.0 (elementos Viia e grupos Viia). Destes, os oxidantes de flúor mais fortes (OEO \u003d 4.0), oxigênio (OEO \u003d 3.0), cloro (OEO \u003d 3,5). Os oxidantes importantes incluem PBO 2, KMNO 4, CA (SO 4) 2, a 2 Cr 2 O 7 , HCLO, HCLO 3, CCO4, Nabio 3, H2 SO4 (conclui), HNO 3 (conclui), Na 2 O 2, (NH 4) 2 S 2 O 8, KSIO 3, H 2 O 2 e outras substâncias que contêm átomos com alta ou alta co.

Agentes redutores típicos incluem substâncias simples cujos átomos têm um pequeno OEO< 1,5 (металлы IA и IIAгрупп и некоторые другие металлы). К важным восстановителям относятся H 2 S, NH 3 , HI, KI, SnCl 2 , FeSO 4 , C, H 2 , CO, H 2 SO 3 , Cr 2 (SO 4) 3 , CuCl, Na 2 S 2 O 3 и другие вещества, которые содержат атомы с низкими СО.

Na preparação de equações de reações redox, podem ser aplicados dois métodos: o método de equilíbrio eletrônico e o método iônico-eletrônico (método de meia formação). Uma ideia mais correta de processos oxidativos e reduzidos em soluções é dada por um método eletrônico iônico. Usando este método, são previstos alterações que se submetem a realizar na solução de íons e moléculas.

Além de prever os produtos de reação, as equações iônicas de meias formações são necessárias para entender os processos redox ocorrendo sob eletrólise e em elementos de galvanoplastia. Este método reflete o papel do ambiente como participante no processo. Finalmente, ao usar este método, não é necessário conhecer todas as substâncias formadas com antecedência, já que muitas delas são obtidas na preparação da equação de reações redox.

Deve-se ter em mente que, embora a meia reação reflita os processos reais acontecendo com reações de reação oxidativa, eles não podem ser identificados com etapas reais (mecanismo) de reações redox.

Muitos fatores são influenciados pela natureza e direção das reações redox: a natureza das substâncias reagentes, a reação do meio, concentração, temperatura, catalisadores.

Significado biológico dos processos redox

Um importante processos em organismos animais são as reações de oxidação enzimática de substâncias - substratos: carboidratos, gorduras, aminoácidos. Como resultado desses processos, os organismos recebem uma grande quantidade de energia. Aproximadamente 90% de toda a necessidade de um homem adulto em energia é coberto devido à energia produzida em tecidos na oxidação de carboidratos e gorduras. A parte restante da energia é ~ 10% dá a divisão oxidativa de aminoácidos.

A oxidação biológica prossegue através de mecanismos complexos com a participação de um grande número de enzimas. Na mitocôndria, a oxidação ocorre como resultado da transferência de elétrons de substratos orgânicos. A mitocôndria contém várias proteínas como transportadoras de elétrons para o circuito respiratório contendo uma variedade de grupos funcionais que são projetados para transferir elétrons. À medida que a corrente avança de um intermediário para outros elétrons, perde energia livre. Em cada par de elétrons transmitidos na cadeia respiratória Oxigênio, 3 moléculas de ATP são sintetizadas. A energia livre liberada durante a transferência de 2 elétrons por oxigênio é de 220 kJ / mol.

A síntese de moléculas de 1 ATP sob condições padrão são consumidas em 30,5 kJ. É claro a partir daqui que uma parte bastante significativa da energia livre liberada durante a transferência de um par de elétrons é coberta nas moléculas ATP. A partir desses dados, o papel da transmissão multiestágora de elétrons do agente redutor inicial para o oxigênio fica claro. Uma grande energia (220 kJ), alocada ao transferir um par de elétrons para oxigênio, é dividido em uma série de porções correspondentes a estágios individuais de oxidação. Em três tais etapas, a quantidade de energia liberada aproximadamente corresponde à energia necessária para a síntese de 1 moléculas ATP.

Reações redox incluem tal que acompanhado pelo movimento de elétrons de algumas partículas para o outro. Ao considerar os padrões do fluxo de reações redox, o conceito de oxidação é usado.

Grau de oxidação

Conceito grau de oxidação Inserido para caracterizar o status dos elementos nas conexões. Sob o grau de oxidação é entendido A carga condicional de um átomo no composto calculado com base na suposição de que a conexão consiste em íons. O grau de oxidação é denotado pelo número árabe com um sinal de vantagem quando elétrons deslocados de um determinado átomo para outro átomo e um dígito com um sinal de menos quando elétron deslocados na direção oposta. O dígito com o sinal "+" ou "-" é definido sobre o símbolo do elemento. O grau de oxidação indica o estado da oxidação de um átomo e representa apenas forma confortável Para explicar a transferência de elétrons: não deve ser considerada como uma carga efetiva de um átomo na molécula (por exemplo, na molécula de vida, os encargos efetivos Li e F são iguais a + 0,89 e -0,89, enquanto o grau de oxidação é +1 e -1), nem como a valência do elemento (por exemplo, em compostos CH4, CH3OH, HCOOH, CO 2, valência de carbono é 4, e o grau de oxidação é respectivamente - 4, -2 , +2, +4). Os valores numéricos da valência e graus de oxidação podem coincidir em valor absoluto somente quando os compostos são para a estrutura iônica.

Ao determinar o grau de oxidação, as seguintes regras usam:

Átomos de elementos que estão em estado livre ou na forma de moléculas de substâncias simples têm um grau de oxidação igual a zero, por exemplo Fe, Cu, H 2, N 2 e semelhantes.

O grau de oxidação do elemento sob a forma de um único íon de anatomia em um composto que tem uma estrutura de íon é igual à acusação deste íon,

1 -1 +2 -2 +3 -1

por exemplo, NACL, CUS, ALF 3.

O hidrogênio na maioria dos compostos tem um grau de oxidação de +1, com exceção de hidretos metálicos (nah, lih), em que o grau de oxidação de hidrogênio é -1.

O grau mais comum de oxidação de oxigênio em compostos -2, com exceção de peróxidos (Na 2 O 2, H2O2), em que o grau de oxidação do oxigênio é -1 e F2O, em que o grau de oxidação do oxigênio é +2.

Para elementos com um grau não permanente de oxidação, pode ser calculado, conhecendo a fórmula composta e considerando que a soma algébrica da oxidação de todos os elementos na molécula neutra é zero. Em um ião complexo, esse valor é igual à acusação de um íon. Por exemplo, o grau de oxidação do átomo de cloro na molécula HCLO 4, calculada com base na carga total da molécula \u003d 0, onde X é o grau de oxidação do átomo de cloro), é +7. O grau de oxidação do átomo de enxofre em íon (SO 4) 2- [X + 4 (-2) \u003d -2] é +6.

Propriedades redox de substâncias

Qualquer reação de oxidação consiste em processos de oxidação e recuperação. Oxidação - este é o processo de átomo de eletrônica de recuo, íon ou molécula de reagente. Substâncias que dão seus elétrons no processo de reação e ao mesmo tempo são oxidados, chamados agentes redutores.

A recuperação é o processo de adoção de átomo de elétrons, molécula de íon ou reagente.

Substâncias que aceitam elétrons são restauradas, chamadas de agentes oxidantes.

Reações de oxidação de redução sempre prossem como um único processo chamado reacção redox. Por exemplo, com a interação do zinco de metal com íons de cobre agente redutor (Zn) dá seus elétrons oxidificador- íons de cobre (CU2 +):

Zn + CU 2+ Zn 2+ + Cu

O cobre se destaca na superfície de zinco e os íons de zinco estão se movendo para a solução.

As propriedades redox dos elementos estão associadas à estrutura dos seus átomos e são determinadas pela disposição no sistema periódico D.I. Mendeleeva. A capacidade de redução do elemento deve-se ao fraco vínculo de valência elétrons com o kernel. Átomos de metal contendo um pequeno número de elétrons no nível de energia externa são propensos ao seu retorno, isto é. Facilmente oxidado, desempenhando o papel de redução de agentes. Os mais fortes agentes reduzidos são os metais mais ativos.

O critério da atividade redox dos elementos pode ser o valor deles eletronegabilidade relativa.: O que é mais alto, mais forte a capacidade oxidativa do elemento é expressa, e menor, mais brilhante a sua atividade regenerativa é manifestada. Átomos não metálicos (por exemplo, F, O) têm um alto valor da afinidade para eletronegatividade eletrônica e relativa, eles aceitam facilmente elétrons, isto é, são oxidantes.

As propriedades redox do elemento dependem do grau de sua oxidação. O mesmo elemento distinguir graus de baixa, mais altos e intermediários de oxidação.

Como exemplo, considere o enxofre e o seu composto H 2 S, SO 2 e SO3. A relação entre a estrutura eletrônica do átomo de enxofre e suas propriedades redox nesses compostos é claramente apresentada na Tabela 1.

Na molécula H 2 S, o Atom de Enxofre tem uma configuração de octeto estável do nível de energia externa 3S 2 3P 6 e, portanto, não pode mais conectar os elétrons, mas podem lhes dar.

O estado do átomo em que não pode mais levar elétrons, é chamado o menor grau de oxidação.

Na oxidação mais baixa, o átomo perde a capacidade oxidativa e só pode ser um agente redutor.

Tabela 1.

Na molécula tão 3, todos os elétrons externos do átomo de enxofre são deslocados para átomos de oxigênio. Consequentemente, neste caso, o átomo de enxofre só pode levar elétrons, mostrando propriedades oxidativas.

O estado do átomo em que ele deu a todos os elétrons de valência é chamado de maior grau de oxidação.Átomo, que está na mais alta oxidação, só pode ser um oxidante.

Na molécula tão 2 molécula e o átomo de enxofre cinza elementar está em graus intermediários de oxidação, isto é, ter valência elétrons, o átomo pode dar-lhes, mas sem ter uma completa r -assunto, pode e receber elétrons antes de ser concluído.

Um átomo de um elemento tendo um grau intermediário de oxidação pode exibir propriedades oxidativas e reduzidas, que é determinada pelo seu papel numa reação específica.

Então, por exemplo, o papel do sulfito - anião assim dentro as seguintes reações Vários:

5na 2 SO 3 + 2KMNO 4 + 3H 2 SO 4  2MNSO 4 + 5NA 2 SO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O (1)

H 2 SO 3 + 2H2S  3 S + 3H2O (2)

Na reação (1) ânion sulfito assim na presença de um forte oxidantkmno 4 desempenha o papel do agente redutor; Na reação (2) ânion sulfito assim - Agente oxidante, uma vez que o H 2 s só pode reabilitar as propriedades.

Assim, entre substâncias complexas restaurações. talvez:

1. Substâncias simples cujos átomos têm valores de energia de baixa ionização e eletronegabilidade (em particular metais).

2. Substâncias complexas contendo átomos nos graus inferiores de oxidação:

H. Cl., H 2. S.,N.H 3.

Na 2. S.O 3. Fe.Cl 2, SN.(Nº 3) 2.

Oxidadorestalvez:

1. Substâncias simples cujos átomos têm alta afinidade de incidência e eletronegabilidade - não-metais.

2. Substâncias complexas contendo átomos nos mais altos graus de oxidação: +7 +6 +7

K. Mn.O 4, k 2 CR. 2 O 7, HCLO 4.

3. Substâncias complexas contendo átomos em graus intermediários de oxidação:

Na 2. S.O 3. Mn.O 2. Mn.Então 4.

Esse recurso distingue reações redox e reações fluindo sem alterar os graus de oxidação de elementos químicos.

Estes incluem muitas reações, incluindo todas as reações de substituição, bem como as reações do composto e decomposição, na qual pelo menos uma substância simples está envolvida, por exemplo:

À medida que você se lembra, os coeficientes em reações complexas de oxidação são organizados usando o método de equilíbrio eletrônico:

Na química orgânica, o principal exemplo das reações redox pode ser as propriedades dos aldeídos.

1. Eles são restaurados para os álcoois correspondentes:

2. Os aldeídos são oxidados nos ácidos correspondentes:

A essência de todos os exemplos acima das reações redox foi apresentada usando o método de equilíbrio eletrônico bem conhecido por você. Baseia-se em comparar os graus de oxidação de átomos em reagentes e produtos de reacção e equilibrar o número de elétrons em processos de oxidação e recuperação. Este método é usado para compilar as equações de reações que ocorrem em quaisquer fases. É universal e confortável. Mas, ao mesmo tempo, tem uma grave desvantagem - ao expressar a essência das reações redox ocorrendo em soluções, as partículas são indicadas que realmente não existem.

Neste caso, é mais conveniente usar outro método - o método de meia formação. É baseado na preparação de equações eletrônicas iões para processos de oxidação e recuperação, levando em conta as partículas existentes reais e a soma subsequente delas na equação geral. Neste método, o conceito de "oxidação" não usa, e os produtos são determinados quando a equação de reação é derivada.

Vamos demonstrar este método sobre o exemplo: tornar a equação da reação reduzida de oxidação do zinco com ácido nítrico concentrado.

1. Registro pelo regime iônico do processo, que inclui apenas o agente redutor e o produto de sua oxidação, o agente oxidante e o produto de sua recuperação:

2. Fazemos uma equação eletrônica de íons do processo de oxidação (esta é a 1ª meia formação):

3. Compilamos uma equação eletrônica do íon do processo de recuperação (esta é a 2ª meia-formação):

Por favor note: Equações de íons eletrônicos são compiladas de acordo com a lei de manter massa e cobrança.

4. Registre as equações de meia-reação para que o número de elétrons entre o agente redutor e o oxidante fosse balanceado:

5. Resumimos a equação de meio-reação. Nós compilamos uma equação iônica geral de reação:

Verificamos a exatidão da compilação da equação de reação no formulário de íons:

• Cumprimento da igualdade no número de átomos de elementos e pelo número de encargos
  1. O número de átomos de elementos deve ser igual às partes esquerda e direita da equação iônica da reação.
  2. A carga total das partículas nas partes esquerda e direita da equação iônica deve ser a mesma.

6. Registre a equação na forma molecular. Para fazer isso, adicione aos íons pertencentes à equação de íons, o número necessário de íons de carga opostos.