Хімія. Повторне видання. 9 клас. Григорович

§ 15. Окисно-відновні реакції

Окиснення й відновлення — протилежні хімічні процеси

У 7 класі ви вже ознайомилися з реакціями окиснення. Ми розглядали їх як реакції речовин із киснем з утворенням оксидів. Тобто можна сказати, що окиснення — це процес приєднання речовиною атомів Оксигену (мал. 15.1, а).

Разом з окисненням у природі відбувається протилежний процес, що супроводжується віддачею речовиною атомів Оксигену. Цей процес називають відновленням. На прикладі реакції відновлення міді (мал. 15.1, б) стає зрозумілою назва цього процесу: оскільки з чорного купрум(ІІ) оксиду отримали блискучий метал, то було логічно назвати цей процес відновленням металу.

Мал. 15.1. Реакції окиснення (а) та відновлення (б) міді

Зверніть увагу: Купрум віддає атоми Оксигену й відновлюється, але одночасно атоми Гідрогену сполучаються з атомами Оксигену й окиснюються (мал. 15.1, б).

Отже, процеси окиснення й відновлення — це протилежні взаємопов’язані процеси: відновлення завжди супроводжується окисненням, і навпаки. Тому використовують термін окисно-відновні реакції (скорочено ОВР).

Електронна природа окисно-відновних реакцій

Із розвитком хімії вчені виявили електронну природу процесів окиснення й відновлення. Одним із перших електронну теорію окисно-відновних процесів запропонував наш співвітчизник Л. В. Писаржевський. Він зіставив процеси окиснення й відновлення зі зміною ступенів окиснення елементів унаслідок переходу електронів від атомів одних елементів до інших.

Реакції, у яких хоча б один хімічний елемент змінює свій ступінь окиснення, називають окисно-відновними.

Розгляньмо знову реакцію окиснення міді, але цього разу звернемо увагу на ступені окиснення елементів реагентів та продуктів реакції:

Ми бачимо, що в результаті реакції Купрум підвищує свій ступінь окиснення від 0 до +2. Для цього атоми Купруму мають віддати по 2 електрони. Цей процес можна описати схемою:

Отже, з позиції електронної теорії окисно-відновних реакцій:

Окиснення — це процес віддачі електронів атомом (йоном) з підвищенням ступеня окиснення.

У цій реакції Оксиген знижує свій ступінь окиснення від 0 до -2. Для цього атоми Оксигену мають прийняти по 2 електрони:

У такий спосіб атоми Оксигену доповнюють (відновлюють) свою електронну оболонку, тому з позиції електронної теорії окисно-відновних реакцій:

Відновлення — це процес приєднання електронів атомом (йоном) зі зниженням ступеня окиснення.

Елемент, що віддає електрони й тим самим підвищує свій ступінь окиснення, називають відновником. Речовину, що містить елемент-відновник, також називають відновником. Оскільки відновник під час реакції віддає електрони, то сам він при цьому окиснюється.

Відновник — це частинка (молекула, атом або йон), що віддає електрони.

У реакції міді з киснем атоми Купруму окиснюються, оскільки віддають електрони, але вони в цій реакції є відновниками, оскільки віддають електрони і відновлюють атоми Оксигену.

Елемент, що приєднує електрони, а також речовину, у складі якої він міститься, називають окисником. Оскільки окисник під час реакції приєднує електрони, то сам він при цьому відновлюється.

Окисник — це частинка (молекула, атом або йон), що приєднує електрони.

У реакції, що ми розглянули, Оксиген відновлюється, оскільки приєднує електрони, але одночасно він є окисником і окиснює Купрум.

У загальному випадку всі визначення, що ми розглянули в цьому підрозділі, можна представити схемою:

Лев Володимирович Писаржевський

(1874-1938)

Український фізико-хімік, академік. Після закінчення гімназії готувався стати лікарем, але після ознайомлення з підручником Менделєєва «Основи хімії» вирішив присвятити себе цій науці. Після закінчення Одеського університету навчався в Лейпцизі в лабораторії Оствальда, де захистив дисертацію. Працював у Тарту, Київському політехнікумі, Катеринославському гірничому інституті (нині Національний гірничий університет, м. Дніпро). За часів громадянської війни сконструював простий протигаз, що зберіг здоров'я багатьох солдат. Розробив теорію окисно-відновних реакцій, заклав основи теорії каталізу тощо. Був засновником Інституту фізичної хімії НАН України, що названий його ім'ям.

Розгляньмо реакцію хлоридної кислоти з лугом:

Легко помітити, що в цій реакції жоден хімічний елемент не змінює свій ступінь окиснення, тому ця реакція не є окисно-відновною, як і будь-яка інша реакція йонного обміну. Головна відмінність окисно-відновних реакцій від реакцій йонного обміну полягає в тому, що під час окисно-відновних реакцій відбувається перехід електронів від відновника до окисника.

Однією з перших каталітичні окисно-відновні процеси вивчала шотландська хімікиня Елізабет Фулхайм (кін. XVIII — поч. XIX ст.), а їх електронну природу встановив наш співвітчизник Л. В. Писаржевський.

Поблизу Австралії та на островах Індонезії мешкають сміттєві кури (alectura lathami). Вони не висиджують свої яйця, а закопують їх у купу гумусу, листя та гною. Яйця розвиваються завдяки теплоті, що виділяється під час окисно-відновної реакції гниття рослин. За допомогою дзьобу самець відстежує температуру всередині такого «інкубатора» і залежно від неї розкопує яйця або засипає їх піском.

Значення окисно-відновних реакцій

Окисно-відновні реакції мають велике значення в природі та практичній діяльності людини. Вони є основою багатьох процесів життєдіяльності живих організмів. У промисловості окисно-відновні реакції — один з головних методів добування нових речовин, зокрема металів, а також у виробництві кислот, ліків, барвників тощо.

Значення ОВР у природі

Фотосинтез — це окисно-відновна реакція, що забезпечує життя на планеті. Під дією світла в зелених рослинах відбувається процес, який можна описати сумарним рівнянням: 6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑. Окисником тут є вуглекислий газ, а відновником — атоми Оксигену у складі води.

Обмін речовин і енергії в клітинах відбувається в ході численних окисно-відновних реакцій. Процеси дихання, травлення — усе це ланцюги ОВР. Перетворення енергії, що звільняється під час ОВР, на енергію хімічних зв’язків молекул АТФ відбувається в мітохондріях.

Будь-яка реакція горіння є окисно-відновною. Із давніх-давен горіння є джерелом енергії для людини. Поширеним видом палива є деревина, її горіння можна описати рівнянням, зворотним до процесу фотосинтезу: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O.

Гниття також є окисно-відновним процесом, що відбувається за участі бактерій. У результаті гниття виділяється енергія, необхідна для життєдіяльності цих бактерій. Мільйони років тому завдяки цим процесам сформувалися корисні копалини.

Бродіння — ще один приклад природних окисно-відновних реакцій. Цей процес відбувається за участі грибів, які таким чином добувають необхідну енергію. Людина використовує бродіння для виготовлення квашених овочів, дріжджового тіста, кисломолочних продуктів, сиру, пива тощо.

У живих організмах можуть відбуватися й небажані процеси окиснення, наслідком чого можуть бути мутації ДНК та захворювання, зокрема рак. Для запобігання цьому існують речовини-антиоксиданти, що виявляють відновні властивості. Вони взаємодіють з надлишковими окисниками в організмі й «нейтралізують» їх. Найпоширенішим антиоксидантом є вітамін C.

Корозія — це багатостадійний окисно-відновний процес, що описують рівнянням 4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃. Корозію можна назвати процесом, який є протилежним добуванню металів на заводах. Цей процес призводить до пошкодження металевих конструкцій.

Значення ОВР у техніці

Добування енергії з будь-якого палива ґрунтується на окисно-відновних реакціях. Наприклад, у двигунах внутрішнього згоряння відбувається реакція згоряння бензину. Енергія, що виділяється в результаті реакції, перетворюється на механічну енергію для переміщення автомобіля.

У звичайних батарейках також відбуваються ОВР, енергія від яких перетворюється на електричну енергію. Такі джерела електричного струму називають гальванічними елементами. У батарейці відбувається реакція, яку схематично можна описати рівнянням: Zn + MnO₂ = ZnO + MnO. Акумулятори в автомобілях, ноутбуках та мобільних телефонах — це також гальванічні елементи, в яких відбуваються різні ОВР.

У паливних елементах електрична енергія виробляється внаслідок окисно-відновної реакції горіння. Перспективним є паливний елемент, у якому відбувається згоряння водню, оскільки єдиним продуктом цієї реакції є вода. Автомобілі з такими паливними елементами будуть екологічно чистими.

Окисно-відновні реакції є основою методу гальванопластики — покриття поверхні тонким шаром металу. На виріб будь-якої складності з будь-якого матеріалу (деревини, гіпсу, пластмаси) наносять шар металу (золота, срібла, хрому). Цим методом наносять позолоту на дерев’яні вироби, хромують деталі автомобілів, побутової техніки тощо.

Усі металургійні процеси — добування металів — неможливі без ОВР. Метали (залізо, мідь, свинець тощо) відновлюють з руди коксом (спеціально обробленим вугіллям). Алюміній з руди відновлюють електричним струмом. За випуском чорних металів Україна посідає одне з провідних місць у світі.

Без ОВР неможливий хімічний аналіз деяких речовин. Із використанням різних реагентів визначають концентрацію кисню, йонів Феруму Fe²⁺ й Fe³⁺ або Хрому Cr³⁺ у сумішах. Також за допомогою ОВР можна визначити вміст вітаміну C (аскорбінової кислоти) у фруктах, соках тощо.

Реакція азоту з воднем N₂ + 3H₂ = 2NH₃ також є окисно-відновною. На цій реакції ґрунтується виробництво азотних добрив та вибухових речовин. Цей дешевий спосіб синтезу амоніаку дозволив підвищити врожайність сільськогосподарських культур. В Україні амоніак синтезують у великих обсягах на підприємствах «Рівнеазот», Черкаський «Азот» тощо.

Ключова ідея

Окиснення й відновлення — протилежні взаємопов'язані процеси і полягають в обміні електронів.

Контрольні запитання

• 175. Які реакції називають окисно-відновними? Наведіть приклади окисно-відновних реакцій у природі й побуті.
• 176. Дайте визначення поняттям «окисник», «відновник», «окиснення», «відновлення» з позицій електронної теорії ОВР.
• 177. Чи можна будь-який процес окиснення схарактеризувати як горіння? А чи можна будь-який процес горіння назвати процесом окиснення?

Завдання для засвоєння матеріалу

178. Визначте, які з наведених реакцій є окисно-відновними. Для ОВР позначте стрілкою напрямок переносу електронів та їх число, як на схемі на с. 90.

• a) 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑;
• б) МnО₂ + 4НСl = МnСl₂ + Сl₂↑ + 2Н₂О;
• в) 2Аl(OН)₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 6Н₂О;
• г) 6NaOH + P₂O₅ = 2Na₃PO₄ + 3H₂O;
• д) CuO + 2HCl = CuCl₂ + H₂O;
• е) Fe + 2HCl = FeCl₂ + Н₂↑;
• є) 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О;
• ж) 2Аl + 3S = Al₂S₃.

179. У кожному рівнянні реакції визначте елементи, що є відновниками й окисниками:

• a) N₂ + O₂ = 2NO;
• б) 3Mg + N₂ = Mg₃N₂;
• в) Сl₂ + 2КВr = 2КСl + Вr₂;
• г) Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu;
• д) 2К + 2Н₂О = 2КОН + Н₂↑;
• е) 2Pb(NO₃)₂ = 2PbO + 4NO₂↑ + O₂↑;
• є) Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑;
• ж) 5Сl₂ + 2Р = 2РСl₅.

181. Схарактеризуйте значення ОВР у побуті, техніці, природі.

182. Вироби зі срібла у разі зберігання протягом тривалого часу тьмяніють унаслідок утворення на поверхні нерозчинного аргентум(І) сульфіду чорного кольору. Відновити блиск срібла можна кип'ятінням виробу в розчині соди разом з алюмінієвою фольгою. Яка речовина в цьому випадку буде окисником, а яка — відновником? Складіть рівняння цієї реакції.

183. Вільні радикали в організмі (частинки з неспареними електронами) сприяють загибелі клітин або їхньому перетворенню на ракові клітини. Нейтралізувати дію вільних радикалів можуть деякі речовини, які називають антиоксидантами, наприклад аскорбінова кислота. Припустіть, які властивості (окисників чи відновників) характерні для вільних радикалів та антиоксидантів.