Редокс ( / ˈ r ɛ d ɒ k s / RED -oks , / ˈ r iː d ɒ k s / REE -doks , восстановление-окисление [2] или окисление-восстановление [3] ) — тип химической реакции, при которой степени окисления реагента изменяются . [4] Окисление — это потеря электронов или повышение степени окисления, а восстановление — это прирост электронов или понижение степени окисления.
Существует два класса окислительно-восстановительных реакций:
«Редокс» — это сочетание слов «восстановление» и «окисление». Термин «окислительно-восстановительный потенциал» впервые был использован в 1928 году. [6]
Процессы окисления и восстановления происходят одновременно и не могут происходить независимо. [5] В окислительно-восстановительных процессах восстановитель передает электроны окислителю. Таким образом, в реакции восстановитель или восстановитель теряет электроны и окисляется, а окислитель или окислитель приобретает электроны и восстанавливается. Пара окислителя и восстановителя, участвующая в той или иной реакции, называется окислительно-восстановительной парой. Окислительно-восстановительная пара представляет собой восстановительную разновидность и соответствующую ей окислительную форму, [7] например, Fe2+/ Фе3+.Окисление и восстановление сами по себе называются полуреакцией, поскольку две полуреакции всегда протекают вместе, образуя целую реакцию. [5]
Первоначально окисление подразумевало реакцию с кислородом с образованием оксида. Позже этот термин был расширен и теперь включает вещества , вступающие в химические реакции, аналогичные реакциям с кислородом. В конечном итоге это значение было обобщено и включило все процессы, связанные с потерей электронов или увеличением степени окисления химических веществ. [8] : A49 Вещества, которые обладают способностью окислять другие вещества (заставлять их терять электроны), называются окислительными или окисляющими и известны как окислители , окислители или окислители. Окислитель отбирает электроны у другого вещества и таким образом сам восстанавливается. [8] : A50 Поскольку окислитель «принимает» электроны, его еще называют акцептором электронов . Окислители обычно представляют собой химические вещества с элементами в высоких степенях окисления (например, H2О2, MnO−
4, КрО3, Кр
2О2−
7, ОсО4), или же сильно электроотрицательные элементы (например , O 2 , F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 ), которые могут получать дополнительные электроны за счет окисления другого вещества. [ нужна цитата ]
Окислители являются окислителями, но этот термин в основном используется для источников кислорода, особенно в контексте взрывов. Азотная кислота является окислителем. [ нужна цитата ]
Кислород является типичным окислителем. [ нужна цитата ]
Вещества, которые обладают способностью восстанавливать другие вещества (заставлять их присоединять электроны), называются восстановителями или восстановителями и известны как восстановители , восстановители или восстановители. Восстановитель передает электроны другому веществу и таким образом сам окисляется. [ нужна цитация ] Поскольку он отдает электроны, восстановитель также называется донором электронов . Доноры электронов также могут образовывать комплексы с переносом заряда с акцепторами электронов. Слово «восстановление» первоначально относилось к потере веса при нагревании металлической руды , такой как оксид металла , для извлечения металла. Другими словами, руда «превратилась» в металл. [ нужна цитата ] Антуан Лавуазье продемонстрировал, что эта потеря веса произошла из-за потери кислорода в виде газа. Позже ученые поняли, что в этом процессе атом металла приобретает электроны. Затем понятие восстановления стало обобщенным и включило все процессы, связанные с приобретением электронов. [ нужна цитация ] Восстанавливающий эквивалент относится к химическим веществам , которые переносят эквивалент одного электрона в окислительно-восстановительных реакциях. Этот термин распространен в биохимии . [9] Восстанавливающим эквивалентом может быть электрон или атом водорода в виде иона гидрида . [10]
Восстановители в химии весьма разнообразны. Электроположительные элементарные металлы , такие как литий , натрий , магний , железо , цинк и алюминий , являются хорошими восстановителями. Эти металлы относительно легко отдают электроны. [ нужна цитата ]
Реагенты для переноса гидрида, такие как NaBH 4 и LiAlH 4 , восстанавливаются за счет переноса атома: они переносят эквивалент гидрида или H - . Эти реагенты широко используются при восстановлении карбонильных соединений в спирты . [11] [12] Родственный метод восстановления включает использование газообразного водорода (H 2 ) в качестве источников атомов H. [ нужна цитата ]
Электрохимик Джон Бокрис предложил слова «электронизация» и «деэлектронизация» для описания процессов восстановления и окисления соответственно, когда они происходят на электродах . [13] Эти слова аналогичны протонированию и депротонированию . [14] Они не получили широкого распространения среди химиков во всем мире, хотя ИЮПАК признал термины электронизация [15] и деэлектронизация . [16]
Окислительно-восстановительные реакции могут протекать медленно, как при образовании ржавчины , или быстро, как при горении топлива . Реакции переноса электрона обычно протекают быстро и происходят во время смешивания.
Механизмы реакций переноса атомов весьма разнообразны, поскольку могут переноситься многие виды атомов. Такие реакции также могут быть весьма сложными, состоящими из многих стадий. Механизмы реакций переноса электрона происходят по двум различным путям: перенос электронов внутренней сферы и перенос электронов внешней сферы .
Анализ энергий связи и энергий ионизации в воде позволяет рассчитать термодинамические аспекты окислительно-восстановительных реакций.
Каждая полуреакция имеет стандартный электродный потенциал ( Eо-
ячейка), что равно разности потенциалов или напряжению в равновесии при стандартных условиях электрохимической ячейки , в которой катодной реакцией является рассматриваемая полуреакция , а анодом — стандартный водородный электрод , в котором окисляется водород:
Электродный потенциал каждой полуреакции также известен как потенциал восстановления ( Eо
красный), или потенциальный, когда полуреакция протекает на катоде. Восстановительный потенциал является мерой тенденции окислителя к восстановлению. Его значение равно нулю для H + + e − → 1 ⁄ 2 H 2 по определению, положительному для окислителей, более сильных, чем H + (например, +2,866 В для F 2 ), и отрицательным для окислителей, которые слабее, чем H + (например, +2,866 В для F 2 ) и отрицательным для окислителей, которые слабее H + (например, , −0,763В для Zn 2+ ). [8] : 873
Для окислительно-восстановительной реакции, протекающей в клетке, разность потенциалов равна:
Однако потенциал реакции на аноде иногда выражают как окислительный потенциал :
Окислительный потенциал является мерой склонности восстановителя к окислению, но не отражает физический потенциал на электроде. В таких обозначениях уравнение напряжения ячейки записывается со знаком плюс
В реакции между водородом и фтором водород окисляется, а фтор восстанавливается:
Эта реакция является самопроизвольной и выделяет 542 кДж на 2 г водорода, поскольку связь HF намного прочнее связи FF. Эту реакцию можно рассматривать как две полуреакции . Реакция окисления превращает водород в протоны :
Реакция восстановления превращает фтор во фторид-анион:
Половинные реакции объединяются так, что электроны сокращаются:
Протоны и фторид объединяются с образованием фторида водорода в неокислительно-восстановительной реакции:
Общая реакция такая:
В реакциях этого типа атом металла в соединении или растворе заменяется атомом другого металла. Например, медь осаждается, когда металлический цинк помещается в раствор сульфата меди (II) :
В приведенной выше реакции металлический цинк вытесняет ион меди (II) из раствора сульфата меди и, таким образом, высвобождает свободную металлическую медь. Реакция протекает самопроизвольно и выделяет 213 кДж на 65 г цинка.
Ионное уравнение этой реакции:
По двум полуреакциям видно, что цинк окисляется:
И медь восстанавливается:
Реакция диспропорционирования – это реакция, при которой одно и то же вещество одновременно окисляется и восстанавливается. Например, тиосульфат- ион с серой в степени окисления +2 может реагировать в присутствии кислоты с образованием элементарной серы (степень окисления 0) и диоксида серы (степень окисления +4).
При этом один атом серы восстанавливается с +2 до 0, а другой окисляется с +2 до +4. [8] : 176
Катодная защита — это метод, используемый для борьбы с коррозией металлической поверхности путем превращения ее в катод электрохимической ячейки. Простой метод защиты соединяет защищаемый металл с более легко подверженным коррозии « жертвенным анодом », который действует как анод . Жертвенный металл вместо защищаемого металла затем подвергается коррозии. Катодная защита обычно применяется в оцинкованной стали, где жертвенное цинковое покрытие на стальных деталях защищает их от ржавчины.
Окисление используется в самых разных отраслях промышленности, например, при производстве чистящих средств и при окислении аммиака для получения азотной кислоты .
Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе электрохимических ячеек , которые могут генерировать электрическую энергию или поддерживать электросинтез . Металлические руды часто содержат металлы в окисленном состоянии, такие как оксиды или сульфиды, из которых чистые металлы извлекаются путем плавки при высокой температуре в присутствии восстановителя. В процессе гальванического покрытия используются окислительно-восстановительные реакции для покрытия объектов тонким слоем материала, например, в хромированных автомобильных деталях, столовых приборах с серебряным покрытием , гальванизации и позолоченных ювелирных изделиях .
Многие важные биологические процессы включают окислительно-восстановительные реакции. Прежде чем некоторые из этих процессов начнутся, железо должно быть ассимилировано из окружающей среды. [17]
Клеточное дыхание , например, представляет собой окисление глюкозы (C 6 H 12 O 6 ) до CO 2 и восстановление кислорода до воды . Итоговое уравнение клеточного дыхания:
Процесс клеточного дыхания также в значительной степени зависит от восстановления НАД + до НАДН и обратной реакции (окисления НАДН до НАД + ). Фотосинтез и клеточное дыхание дополняют друг друга, но фотосинтез не является противоположностью окислительно-восстановительной реакции клеточного дыхания:
Биологическая энергия часто сохраняется и высвобождается посредством окислительно-восстановительных реакций. Фотосинтез включает восстановление углекислого газа до сахаров и окисление воды до молекулярного кислорода. Обратная реакция — дыхание — окисляет сахара с образованием углекислого газа и воды. В качестве промежуточных этапов восстановленные углеродные соединения используются для восстановления никотинамидадениндинуклеотида (НАД + ) до НАДН, что затем способствует созданию протонного градиента , который стимулирует синтез аденозинтрифосфата (АТФ) и поддерживается за счет восстановления кислород. В клетках животных митохондрии выполняют сходные функции.
Свободнорадикальные реакции — это окислительно-восстановительные реакции, которые происходят как часть гомеостаза и уничтожения микроорганизмов , когда электрон отрывается от молекулы, а затем почти мгновенно снова присоединяется. Свободные радикалы являются частью окислительно-восстановительных молекул и могут стать вредными для человеческого организма, если они не присоединятся к окислительно-восстановительной молекуле или антиоксиданту . Неудовлетворенные свободные радикалы могут стимулировать мутацию клеток, с которыми они сталкиваются, и, таким образом, становятся причиной рака .
Термин «окислительно-восстановительное состояние» часто используется для описания баланса GSH/GSSG , НАД + /НАДН и НАДФ + /НАДФН в биологической системе, такой как клетка или орган . Окислительно-восстановительное состояние отражается на балансе нескольких наборов метаболитов (например, лактата и пирувата , бета-гидроксибутират и ацетоацетат ), взаимное превращение которых зависит от этих соотношений. Аномальное окислительно-восстановительное состояние может развиваться в различных неблагоприятных ситуациях, таких как гипоксия , шок и сепсис . Редокс-механизмы также контролируют некоторые клеточные процессы. В соответствии с гипотезой CoRR о функции ДНК в митохондриях и хлоропластах окислительно-восстановительные белки и их гены должны быть расположены рядом для окислительно-восстановительной регуляции .
Множество ароматических соединений ферментативно восстанавливаются с образованием свободных радикалов , которые содержат на один электрон больше, чем их исходные соединения. В общем, донором электронов является любой из широкого спектра флавоферментов и их коферментов . После образования эти анионные свободные радикалы восстанавливают молекулярный кислород до супероксида и регенерируют неизмененное исходное соединение. Конечная реакция представляет собой окисление коферментов флавофермента и восстановление молекулярного кислорода с образованием супероксида. Такое каталитическое поведение было описано как бесполезный цикл или окислительно-восстановительный цикл.
Минералы обычно представляют собой окисленные производные металлов. Железо добывают в виде магнетита (Fe 3 O 4 ). Титан добывают в виде его диоксида, обычно в виде рутила (TiO 2 ). Для получения соответствующих металлов эти оксиды необходимо восстановить, что часто достигается нагреванием этих оксидов с углеродом или окисью углерода в качестве восстановителей. Доменные печи — это реакторы, в которых оксиды железа и кокс (разновидность углерода) объединяются для производства расплавленного железа. Основная химическая реакция, производящая расплавленное железо, такова: [18]
Реакции переноса электрона играют центральную роль во множестве процессов и свойств в почвах, а окислительно-восстановительный потенциал , количественно определяемый как Eh (потенциал ( напряжение ) платинового электрода относительно стандартного водородного электрода) или pe (аналог pH как -log активности электронов), является главным переменная, наряду с pH, которая контролирует и регулируется химическими реакциями и биологическими процессами. Ранние теоретические исследования с применением к затопленным почвам и производству риса-сырца были плодотворными для последующих работ по термодинамическим аспектам окислительно-восстановительного процесса и роста корней растений в почвах. [19] Более поздние работы основывались на этом фундаменте и расширили его для понимания окислительно-восстановительных реакций, связанных с изменениями степени окисления тяжелых металлов, педогенезом и морфологией, деградацией и образованием органических соединений, химией свободных радикалов , разграничением водно-болотных угодий , восстановлением почвы и различными методологическими подходами для характеризующие окислительно-восстановительный статус почв. [20] [21]
Ключевые термины, связанные с окислительно-восстановительным процессом, могут сбивать с толку. [22] [23] Например, реагент, который окисляется, теряет электроны; однако этот реагент называется восстановителем. Аналогично, восстановленный реагент приобретает электроны и называется окислителем. [24] Эти мнемоники обычно используются студентами, чтобы помочь запомнить терминологию: [25]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )Описанные гомогенные реакции переноса протона подобны гомогенным реакциям переноса электрона в том, что общую реакцию переноса электрона можно разложить на одну реакцию электрона и одну реакцию деэлектронизации.
