В химии восстановитель (также известный как восстановитель , редуцент или донор электронов ) — это химическое вещество , которое «отдает» электрон получателю электронов (называемому окислителем , окислителем или акцептором электронов ).
Примерами веществ, которые являются обычными восстановителями, являются водород , щелочные металлы , муравьиная кислота , [1] щавелевая кислота , [2] и сульфитные соединения.
В предреакционных состояниях восстановители имеют дополнительные электроны (то есть они сами по себе восстановлены), а окислители испытывают недостаток электронов (то есть они сами по себе окисляются). Обычно это выражается в терминах их степеней окисления. Степень окисления агента описывает степень потери им электронов, где чем выше степень окисления, тем меньше у него электронов. Таким образом, изначально, до реакции, восстановитель обычно находится в одной из своих низших возможных степеней окисления; его степень окисления увеличивается во время реакции, в то время как степень окисления окислителя уменьшается. Таким образом, в окислительно-восстановительной реакции агент, чья степень окисления увеличивается, который «теряет/ отдает электроны», который «окисляется» и который «восстанавливается», называется восстановителем или восстанавливающим агентом , в то время как агент, чья степень окисления уменьшается, который «приобретает/ принимает /получает электроны», который «восстанавливается» и который «окисляется», называется окислителем или окисляющим агентом .
Например, рассмотрим общую реакцию аэробного клеточного дыхания :
Кислород ( O2 ) восстанавливается, поэтому он является окислителем. Глюкоза ( C6H12O6 ) окисляется , поэтому она является восстановителем .
Рассмотрим следующую реакцию:
Восстановителем в этой реакции является ферроцианид ( [Fe(CN) 6 ] 4− ). Он отдает электрон, окисляясь до феррицианида ( [Fe(CN) 6 ] 3− ). Одновременно этот электрон принимает окислитель хлор ( Cl
2), который восстанавливается до хлорида ( Cl−
).
Сильные восстановители легко теряют (или отдают) электроны. Атом с относительно большим атомным радиусом, как правило, является лучшим восстановителем. В таких видах расстояние от ядра до валентных электронов настолько велико, что эти электроны не сильно притягиваются. Эти элементы, как правило, являются сильными восстановителями. Хорошие восстановители, как правило, состоят из атомов с низкой электроотрицательностью , которая представляет собой способность атома или молекулы притягивать связывающие электроны, а виды с относительно небольшой энергией ионизации также служат хорошими восстановителями. [ необходима цитата ]
Мера способности материала восстанавливаться известна как его восстановительный потенциал . [3] В таблице ниже показано несколько восстановительных потенциалов, которые можно изменить на окислительные потенциалы, изменив знак. Восстановители можно ранжировать по возрастанию силы, ранжируя их восстановительные потенциалы. Восстановители отдают электроны (то есть «восстанавливают») окислителям , которые, как говорят, «восстанавливаются» восстановителем. Восстановитель сильнее, когда у него более отрицательный восстановительный потенциал, и слабее, когда у него более положительный восстановительный потенциал. Чем положительнее восстановительный потенциал, тем больше сродство вида к электронам и тенденция восстанавливаться (то есть получать электроны). В следующей таблице приведены восстановительные потенциалы указанного восстановителя при 25 °C. Например, среди натрия (Na), хрома (Cr), меди (Cu + ) и хлорида (Cl − ) именно Na является самым сильным восстановителем, а Cl − — самым слабым; Другими словами, Na + является самым слабым окислителем в этом списке, а Cl — самым сильным. [ необходима цитата ]
Распространенными восстановителями являются металлы калий, кальций, барий, натрий и магний, а также соединения, содержащие ион гидрида H− , такие как NaH , LiH , [5] LiAlH4 и CaH2 .
Некоторые элементы и соединения могут быть как восстановителями, так и окислителями . Водородный газ является восстановителем, когда он реагирует с неметаллами, и окислителем, когда он реагирует с металлами.
Водород (восстановительный потенциал которого равен 0,0) действует как окислитель, поскольку он принимает электроны от восстановителя лития (восстановительный потенциал которого равен -3,04), что приводит к окислению Li и восстановлению водорода.
Водород действует как восстановитель, поскольку он отдает свои электроны фтору , что позволяет фтору восстанавливаться.
Восстановители и окислители являются теми, кто ответственен за коррозию , которая является «деградацией металлов в результате электрохимической активности». [3] Для возникновения коррозии требуются анод и катод . Анод — это элемент, который теряет электроны (восстановитель), поэтому окисление всегда происходит в аноде, а катод — это элемент, который получает электроны (окислитель), поэтому восстановление всегда происходит в катоде. Коррозия происходит всякий раз, когда есть разница в окислительном потенциале. Когда она присутствует, анодный металл начинает разрушаться, учитывая наличие электрического соединения и присутствия электролита . [ необходима цитата ]
Исторически восстановление относилось к удалению кислорода из соединения, отсюда и название «восстановление». [ 7] Пример этого явления произошел во время Великого окислительного события , в котором биологически произведенный молекулярный кислород ( дикислород ( O2 ), окислитель и получатель электронов) был добавлен в раннюю атмосферу Земли , которая изначально была слабовосстановительной атмосферой , содержащей восстановительные газы, такие как метан ( CH4 ) и оксид углерода ( CO ) (вместе с другими донорами электронов) [8] и практически не содержала кислорода, поскольку любой произведенный кислород реагировал бы с этими или другими восстановителями (в частности, с железом, растворенным в морской воде ), что приводило бы к их удалению . Используя воду в качестве восстановителя, водные фотосинтезирующие цианобактерии производили этот молекулярный кислород в качестве побочного продукта. [9] Этот O 2 первоначально окислял растворенное в океане двухвалентное железо (Fe(II) − то есть железо в степени окисления +2) с образованием нерастворимых оксидов трехвалентного железа, таких как оксид железа(III) (Fe(II) потерял электрон из-за окислителя и стал Fe(III) − то есть железо в степени окисления +3), который выпал на дно океана, образовав полосчатые железные образования , тем самым удалив кислород (и железо). Скорость производства кислорода в конечном итоге превысила доступность восстанавливающих материалов, которые удаляли кислород, что в конечном итоге привело к тому, что Земля получила сильно окислительную атмосферу, содержащую обильный кислород (как современная атмосфера ). [10] Современное понимание донорства электронов является обобщением этой идеи, признающим, что другие компоненты могут играть аналогичную кислороду химическую роль.
Образование оксида железа(III) ;
В приведенном выше уравнении железо (Fe) имеет степень окисления 0 до и 3+ после реакции. Для кислорода (O) степень окисления начиналась с 0 и уменьшалась до 2−. Эти изменения можно рассматривать как две « полуреакции », которые происходят одновременно:
Железо (Fe) окислилось, так как степень окисления увеличилась. Железо является восстановителем, так как оно отдало электроны кислороду (O 2 ). Кислород (O 2 ) восстановился, так как степень окисления уменьшилась, и является окислителем, так как он забрал электроны у железа (Fe).
.Получено 3 мая 2022 г. В
своем
Traité élémentaire de chimie
он
четко установил, что горение состоит из химического соединения кислорода из атмосферы и горючего вещества [...]. К концу века его идеи получили широкое признание и были успешно применены к более сложным процессам дыхания и фотосинтеза. Реакции, в которых потреблялся кислород, были классифицированы как окисления, в то время как те, в которых кислород терялся, были названы восстановлениями.