Sự biến đổi chất này thành chất khác cùng với sự hình thành các hợp chất mới được gọi là phản ứng hóa học. Hiểu được quá trình này có tầm quan trọng lớn đối với cuộc sống của con người, bởi vì với sự giúp đỡ của nó, bạn có thể nhận được một lượng lớn các chất cần thiết và hữu ích được tìm thấy trong tự nhiên với số lượng nhỏ hoặc hoàn toàn không tồn tại ở dạng tự nhiên của chúng. Trong số các giống quan trọng nhất là phản ứng oxy hóa khử (viết tắt là OVR hoặc khử oxy hóa). Chúng được đặc trưng bởi sự thay đổi trạng thái oxy hóa của các nguyên tử hoặc ion.
Các quá trình xảy ra trong phản ứng
Trong phản ứng, hai quá trình diễn ra - quá trình oxi hóa và quá trình khử. Loại thứ nhất được đặc trưng bởi sự cho electron của chất khử (chất cho) với sự gia tăng trạng thái oxy hóa của chúng, loại thứ hai bằng cách thêm electron bởi chất oxy hóa (chất nhận) với sự giảm trạng thái oxy hóa của chúng. Chất khử phổ biến nhất là kim loại và hợp chất phi kim loại ở trạng thái oxi hóa thấp nhất (hiđro sunfua, amoniac). đặc trưngchất oxi hóa là halogen, nitơ, oxi, cũng như các chất có chứa nguyên tố ở trạng thái oxi hóa cao nhất (axit nitric hoặc axit sunfuric). Nguyên tử, ion, phân tử có thể tặng hoặc nhận electron.
Trước năm 1777, người ta đưa ra giả thuyết rằng quá trình oxy hóa làm mất đi một chất dễ cháy không nhìn thấy được gọi là phlogiston. Tuy nhiên, lý thuyết cháy do A. Lavoisier tạo ra đã thuyết phục các nhà khoa học rằng quá trình oxy hóa xảy ra khi tương tác với oxy, và sự khử xảy ra dưới tác dụng của hydro. Chỉ sau một thời gian, điều rõ ràng là không chỉ hydro và oxy có thể ảnh hưởng đến các phản ứng oxy hóa khử.
Oxi
Quá trình oxy hóa có thể xảy ra ở pha lỏng và pha khí, cũng như trên bề mặt chất rắn. Một vai trò đặc biệt được thực hiện bởi quá trình oxy hóa điện hóa xảy ra trong dung dịch hoặc nóng chảy ở cực dương (điện cực nối với cực dương của nguồn điện). Ví dụ, khi florua được nấu chảy bằng cách điện phân (sự phân hủy một chất thành các nguyên tố cấu thành của nó trên các điện cực), chất oxi hóa vô cơ mạnh nhất, flo, sẽ thu được.
Một ví dụ cổ điển khác của quá trình oxy hóa là cháy trong không khí và oxy nguyên chất. Các chất khác nhau có khả năng xảy ra quá trình này: kim loại và phi kim loại, các hợp chất hữu cơ và vô cơ. Tầm quan trọng thực tế là quá trình đốt cháy nhiên liệu, chủ yếu là một hỗn hợp phức tạp của hydrocacbon với một lượng nhỏ oxy, lưu huỳnh, nitơ và các nguyên tố khác.
Chất oxy hóa cổ điển -oxy
Một chất hoặc hợp chất hóa học đơn giản, trong đó các nguyên tử gắn electron được gọi là chất oxi hóa. Một ví dụ cổ điển về một chất như vậy là ôxy, chất này biến thành ôxít sau phản ứng. Nhưng cũng có một chất oxy hóa trong các phản ứng oxy hóa khử là ozon, bị khử thành các chất hữu cơ (ví dụ, xeton và andehit), peroxit, hypoclorit, clorat, axit nitric và sulfuric, oxit mangan và pemanganat. Dễ dàng nhận thấy rằng tất cả các chất này đều chứa oxy.
Các chất oxy hóa thông thường khác
Tuy nhiên, phản ứng oxy hóa khử không chỉ là một quá trình liên quan đến oxy. Thay vào đó, halogen, crom, và thậm chí cả cation kim loại và ion hydro (nếu nó chuyển thành một chất đơn giản do kết quả của phản ứng) có thể hoạt động như một chất oxy hóa.
Có bao nhiêu electron sẽ được chấp nhận phụ thuộc phần lớn vào nồng độ của chất oxy hóa, cũng như hoạt tính của kim loại tương tác với nó. Ví dụ, trong phản ứng của axit nitric đậm đặc với một kim loại (kẽm), có thể nhận 3 điện tử, và trong tương tác của các chất giống nhau, với điều kiện axit ở dạng rất loãng, đã có 8 điện tử.
Chất oxy hóa mạnh nhất
Tất cả các chất oxy hóa khác nhau về độ mạnh của tính chất của chúng. Vì vậy, ion hydro có khả năng oxy hóa thấp, trong khi nguyên tử clo, được hình thành trong nước cường toan (hỗn hợp axit nitric và hydrochloric theo tỷ lệ 1: 3), có thể oxy hóa cả vàng và bạch kim.
Axit selenic đậm đặc có tính chất tương tự. Điều này làm cho nó trở nên độc nhất vô nhị trong số các axit hữu cơ khác. Khi pha loãng, nó không có khả năng tương tác với vàng, nhưng nó vẫn mạnh hơn axit sulfuric và thậm chí có thể oxy hóa các axit khác, chẳng hạn như axit clohydric.
Một ví dụ khác về chất oxy hóa mạnh là thuốc tím. Nó tương tác thành công với các hợp chất hữu cơ và có thể phá vỡ các liên kết cacbon mạnh mẽ. Đồng ôxít, xêzi ozonide, xêzi superoxide, cũng như xenon difluoride, tetrafluoride và xenon hexafluoride cũng có hoạt tính cao. Khả năng oxy hóa của chúng là do thế điện cực cao khi phản ứng trong dung dịch nước loãng.
Tuy nhiên, có những chất mà tiềm năng này còn cao hơn. Trong số các phân tử vô cơ, flo là chất oxi hóa mạnh nhất, nhưng nó không có khả năng tác dụng với xenon khí trơ nếu không có thêm nhiệt và áp suất. Nhưng điều này được đối phó thành công bằng platinum hexafluoride, difluorodioxide, krypton difluoride, bạc difluoride, muối bạc hóa trị hai và một số chất khác. Vì khả năng phản ứng oxy hóa khử độc đáo, chúng được xếp vào loại chất oxy hóa rất mạnh.
Phục
Ban đầu, thuật ngữ "phục hồi" đồng nghĩa với khử oxy, tức là sự thiếu hụt oxy. Tuy nhiên, theo thời gian, từ này đã có một nghĩa mới, nó có nghĩa là chiết xuất kim loại từ các hợp chất chứa chúng, cũng như bất kỳ biến đổi hóa học nào trong đóphần âm điện của một chất được thay thế bằng một phần tử mang điện tích dương, chẳng hạn như hydro.
Sự phức tạp của quá trình phụ thuộc phần lớn vào ái lực hóa học của các nguyên tố trong hợp chất. Chất nào càng yếu thì phản ứng càng dễ thực hiện. Thông thường, ái lực yếu hơn trong các hợp chất thu nhiệt (nhiệt được hấp thụ trong quá trình hình thành chúng). Việc phục hồi của chúng khá đơn giản. Một ví dụ nổi bật về điều này là chất nổ.
Để phản ứng liên quan đến các hợp chất tỏa nhiệt (được tạo thành với sự tỏa nhiệt), cần phải sử dụng một nguồn năng lượng mạnh, chẳng hạn như dòng điện.
Chất khử chuẩn
Chất khử phổ biến và lâu đời nhất là than đá. Nó trộn với các ôxít quặng, khi đun nóng, ôxy được giải phóng ra khỏi hỗn hợp và kết hợp với cacbon. Kết quả là tạo ra bột, hạt hoặc hợp kim kim loại.
Một chất khử phổ biến khác là hydro. Nó cũng có thể được sử dụng để khai thác kim loại. Để làm điều này, các oxit được tắc vào một ống mà qua đó có một dòng hydro đi qua. Về cơ bản, phương pháp này được áp dụng cho đồng, chì, thiếc, niken hoặc coban. Bạn có thể áp dụng nó với sắt, nhưng quá trình khử sẽ không hoàn toàn và nước được hình thành. Vấn đề tương tự cũng được quan sát thấy khi cố gắng xử lý các oxit kẽm bằng hydro, và nó càng trở nên trầm trọng hơn do tính dễ bay hơi của kim loại. Kali và một số nguyên tố khác hoàn toàn không bị khử bởi hydro.
Đặc điểm của phản ứng trong hóa hữu cơ
Đang tiến hànhhạt khử nhận electron và do đó làm giảm số oxi hóa của một trong các nguyên tử của nó. Tuy nhiên, thuận tiện cho việc xác định thực chất của phản ứng bằng cách thay đổi trạng thái oxi hóa với sự tham gia của các hợp chất vô cơ, còn trong hóa hữu cơ thì việc tính số oxi hóa rất khó, nó thường có giá trị phân số.
Để điều hướng các phản ứng oxy hóa khử liên quan đến các chất hữu cơ, bạn cần nhớ quy tắc sau: sự khử xảy ra khi một hợp chất nhường nguyên tử oxy và thu được nguyên tử hydro, và ngược lại, quá trình oxy hóa được đặc trưng bởi sự bổ sung oxy.
Quá trình khử có tầm quan trọng thực tế rất lớn đối với hóa học hữu cơ. Chính anh ấy là người làm nền tảng cho quá trình hydro hóa xúc tác được sử dụng cho các mục đích trong phòng thí nghiệm hoặc công nghiệp, đặc biệt là tinh chế các chất và hệ thống khỏi các tạp chất hydrocacbon và oxy.
Phản ứng có thể tiến hành ở cả nhiệt độ và áp suất thấp (tương ứng lên đến 100 độ C và 1-4 atm) và ở nhiệt độ cao (lên đến 400 độ và vài trăm atm). Việc sản xuất các chất hữu cơ đòi hỏi các công cụ phức tạp để cung cấp các điều kiện thích hợp.
Các kim loại nhóm bạch kim hoạt động hoặc niken, đồng, molypden và coban không quý được sử dụng làm chất xúc tác. Tùy chọn sau là kinh tế hơn. Sự phục hồi xảy ra do sự hấp thụ đồng thời của chất nền và hydro với sự tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng giữa chúng.
Phản ứng khử tiếp tụcvà bên trong cơ thể con người. Trong một số trường hợp, chúng có thể hữu ích và thậm chí là quan trọng, trong những trường hợp khác, chúng có thể dẫn đến những hậu quả tiêu cực nghiêm trọng. Ví dụ, các hợp chất chứa nitơ trong cơ thể được chuyển đổi thành các amin chính, trong số các chức năng hữu ích khác, tạo thành các chất protein là vật liệu xây dựng của các mô. Đồng thời, thực phẩm nhuộm anilin tạo ra các hợp chất độc hại.
Các loại phản ứng
Loại phản ứng oxy hóa khử nào, sẽ rõ ràng hơn nếu bạn nhìn vào sự hiện diện của sự thay đổi trạng thái oxy hóa. Nhưng trong kiểu biến đổi hóa học này, có những biến thể.
Vì vậy, nếu các phân tử của các chất khác nhau tham gia vào tương tác, một trong số đó bao gồm một nguyên tử oxi hóa và nguyên tử kia là chất khử, thì phản ứng đó được coi là liên phân tử. Trong trường hợp này, phương trình phản ứng oxi hóa khử có thể như sau:
Fe + 2HCl=FeCl2+ H2.
Phương trình cho thấy trạng thái oxy hóa của sắt và hydro thay đổi, trong khi chúng là một phần của các chất khác nhau.
Nhưng cũng có những phản ứng oxy hóa khử nội phân tử, trong đó một nguyên tử trong hợp chất hóa học bị oxy hóa và một nguyên tử khác bị khử và thu được các chất mới:
2H2O=2H2+ O2.
Một quá trình phức tạp hơn xảy ra khi cùng một nguyên tố hoạt động như một chất cho và nhận điện tử và tạo thành một số hợp chất mới, được đưa vào các trạng thái ôxy hóa khác nhau. Quá trình như vậy được gọi làmất cân bằng hoặc mất cân đối. Ví dụ về điều này là chuyển đổi sau:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
Từ phương trình phản ứng oxi hóa khử ở trên, có thể thấy rằng muối Bertolet, trong đó clo ở trạng thái oxi hóa +5, phân hủy thành hai thành phần - kali clorua với trạng thái oxi hóa là clo -1 và peclorat với số oxi hóa +7. Nó chỉ ra rằng cùng một nguyên tố đồng thời tăng và giảm trạng thái oxy hóa của nó.
Mặt trái của quá trình mất cân bằng là phản ứng của sự đồng cân đối hoặc tái cân đối. Trong đó, hai hợp chất chứa cùng một nguyên tố ở các trạng thái số oxi hóa khác nhau, phản ứng với nhau tạo thành chất mới có số oxi hóa duy nhất:
SO2+ 2H2S=3S + 2H2O.
Như bạn thấy trong các ví dụ trên, trong một số phương trình, chất được đặt trước các số. Chúng cho biết số lượng phân tử tham gia vào quá trình và được gọi là hệ số phân cực của phản ứng oxy hóa khử. Để phương trình đúng, bạn cần biết cách sắp xếp chúng.
Phương pháp cân bằng điện tử
Cân bằng trong các phản ứng oxi hóa khử luôn được bảo toàn. Điều này có nghĩa là chất oxi hóa nhận chính xác bao nhiêu electron đã được chất khử cho đi. Để lập một phương trình phản ứng oxi hóa khử một cách chính xác, bạn cần tuân theo thuật toán sau:
- Xác định các trạng thái oxi hóa của các nguyên tố trước và sau phản ứng. Ví dụ, trongphản ứng giữa axit nitric và photpho khi có nước tạo ra axit photphoric và oxit nitric: HNO3+ P + H2O=H 3PO4+ KHÔNG. Hiđro trong tất cả các hợp chất có số oxi hóa +1 và oxi có -2. Đối với nitơ, trước khi phản ứng bắt đầu, số oxi hóa là +5, và sau khi nó tiến hành +2, đối với photpho - 0 và +5, tương ứng.
- Đánh dấu các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi (nitơ và photpho).
- Soạn phương trình điện tử: N+ 5+ 3e=N+ 2; R0- 5e=R+ 5.
- Cân bằng số electron nhận bằng cách chọn bội chung nhỏ nhất và tính số nhân (số 3 và số 5 là ước của số 15, số nhân của nitơ là 5 và của phốt pho là 3): 5N+ 5+ (3 x 5) e=5N+ 2; 3P0- 15e=3P+ 5.
- Cộng các nửa phản ứng thu được theo các phần bên trái và bên phải: 5N+ 5+ 3P0=5N + 2- 15=3Р+ 5. Nếu mọi thứ được thực hiện chính xác ở giai đoạn này, các electron sẽ co lại.
- Viết lại hoàn toàn phương trình, giảm các hệ số theo cân bằng điện tử của phản ứng oxi hóa khử: 5HNO3+ 3P + H2 O=3H3PO4+ 5NO.
- Kiểm tra xem số lượng nguyên tố trước và sau phản ứng có giống nhau ở mọi nơi không, và nếu cần, hãy thêm hệ số vào trước các chất khác (trong ví dụ này, lượng hydro và oxy không bằng nhau, để phương trình phản ứng để có vẻ chính xác, bạn cần thêm một hệ số vào trướcnước): 5HNO3+ 3P + 2H2O=3H3PO4+ 5 KHÔNG.
Phương pháp đơn giản như vậy cho phép bạn đặt các hệ số một cách chính xác và tránh nhầm lẫn.
Ví dụ về phản ứng
Một ví dụ minh họa về phản ứng oxy hóa khử là sự tương tác của mangan với axit sunfuric đặc, tiến hành như sau:
Mn + 2H2SO4=MnSO4+ SO2+ 2 H2O.
Phản ứng oxi hóa khử xảy ra với sự thay đổi trạng thái oxi hóa của mangan và lưu huỳnh. Trước khi bắt đầu quá trình, mangan ở trạng thái không liên kết và có trạng thái ôxy hóa bằng không. Nhưng khi tương tác với lưu huỳnh, là một phần của axit, nó tăng trạng thái oxy hóa lên +2, do đó hoạt động như một chất cho điện tử. Ngược lại, lưu huỳnh đóng vai trò chất nhận, làm giảm trạng thái oxy hóa từ +6 xuống + 4.
Tuy nhiên, cũng có những phản ứng trong đó mangan đóng vai trò là chất nhận electron. Ví dụ, đây là sự tương tác của oxit của nó với axit clohydric, tiến hành theo phản ứng:
MnO2+ 4HCl=MnCl2+ Cl2+ 2 H2O.
Phản ứng oxi hóa khử trong trường hợp này xảy ra với sự giảm trạng thái oxi hóa của mangan từ +4 xuống +2 và tăng trạng thái oxi hóa của clo từ -1 đến 0.
Trước đây, quá trình oxy hóa oxit lưu huỳnh với oxit nitơ khi có nước, tạo ra 75% axit sulfuric, có tầm quan trọng thực tế rất lớn:
SO2+ KHÔNG2+ H2O=NO + H2So4.
Phản ứng oxy hóa khử từng được thực hiện trong các tháp đặc biệt, và sản phẩm cuối cùng được gọi là tháp. Hiện nay phương pháp này không còn là phương pháp duy nhất trong sản xuất axit, vì có nhiều phương pháp hiện đại khác, ví dụ, tiếp xúc bằng xúc tác rắn. Nhưng việc thu được axit bằng phương pháp phản ứng oxi hóa khử không chỉ có ý nghĩa công nghiệp mà còn có ý nghĩa lịch sử, vì nó chính xác là một quá trình xảy ra tự phát trong không khí của London vào tháng 12 năm 1952.
Chất chống đông sau đó mang đến thời tiết lạnh giá bất thường, và người dân thị trấn bắt đầu sử dụng nhiều than để sưởi ấm nhà của họ. Vì nguồn tài nguyên này có chất lượng kém sau chiến tranh, một lượng lớn lưu huỳnh điôxít tập trung trong không khí, chất này phản ứng với hơi ẩm và ôxít nitơ trong khí quyển. Hậu quả của hiện tượng này là tỷ lệ tử vong của trẻ sơ sinh, người già và những người mắc các bệnh về đường hô hấp đã tăng lên. Sự kiện được đặt tên là Great Smog.
Vì vậy, phản ứng oxy hóa khử có tầm quan trọng thực tế rất lớn. Hiểu cơ chế của chúng cho phép bạn hiểu rõ hơn về các quá trình tự nhiên và đạt được các chất mới trong phòng thí nghiệm.
