Yeni bileşiklerin oluşmasıyla bir maddenin başka bir maddeye dönüşmesine kimyasal tepkime denir. Bu süreci anlamak, insanların yaşamı için büyük önem taşımaktadır, çünkü onun yardımıyla, doğada küçük miktarlarda bulunan veya doğal hallerinde hiç bulunmayan çok miktarda gerekli ve faydalı madde elde edebilirsiniz. En önemli çeşitler arasında redoks reaksiyonları (kıs altılmış OVR veya redoks) bulunur. Atomların veya iyonların oksidasyon durumlarında bir değişiklik ile karakterize edilirler.
Reaksiyon sırasında meydana gelen süreçler
Reaksiyon sırasında iki işlem gerçekleşir - oksidasyon ve indirgeme. Bunlardan ilki, oksidasyon durumlarında bir artış ile indirgeyici ajanlar (vericiler) tarafından elektronların verilmesi, ikincisi ise oksidasyon durumlarında bir azalma ile oksitleyici ajanlar (alıcılar) tarafından elektronların eklenmesi ile karakterize edilir. En yaygın indirgeyici ajanlar, en düşük oksidasyon durumundaki (hidrojen sülfür, amonyak) metaller ve metal olmayan bileşiklerdir. tipikoksitleyici maddeler halojenler, azot, oksijen ve ayrıca en yüksek oksidasyon durumunda (nitrik veya sülfürik asit) bir element içeren maddelerdir. Atomlar, iyonlar, moleküller elektron bağışlayabilir veya kazanabilir.
1777'den önce, oksidasyonun flojiston adı verilen görünmez yanıcı bir maddenin kaybıyla sonuçlandığı varsayılırdı. Bununla birlikte, A. Lavoisier tarafından oluşturulan yanma teorisi, bilim adamlarını oksijen ile etkileşime girdiğinde oksidasyonun meydana geldiğine ve hidrojenin etkisi altında indirgemenin gerçekleştiğine ikna etti. Ancak bir süre sonra sadece hidrojen ve oksijenin redoks reaksiyonlarını etkilemediği anlaşıldı.
Oksidasyon
Oksidasyon işlemi katıların yüzeyinde olduğu gibi sıvı ve gaz fazlarında da meydana gelebilir. Anotta (güç kaynağının pozitif kutbuna bağlı bir elektrot) çözeltilerde veya eriyiklerde meydana gelen elektrokimyasal oksidasyon özel bir rol oynar. Örneğin, florürler elektroliz (bir maddenin elektrotlar üzerinde kendisini oluşturan elementlere ayrışması) ile eritildiğinde, en güçlü inorganik oksitleyici madde olan flor elde edilir.
Oksidasyonun bir başka klasik örneği, hava ve saf oksijende yanmadır. Bu işlemi çeşitli maddeler yapabilir: metaller ve metal olmayanlar, organik ve inorganik bileşikler. Pratik önemi, esas olarak az miktarda oksijen, kükürt, nitrojen ve diğer elementlerle kompleks bir hidrokarbon karışımı olan yakıtın yanmasıdır.
Klasik oksitleyici –oksijen
Atomların elektron bağladığı basit bir madde veya kimyasal bileşiğe oksitleyici ajan denir. Böyle bir maddenin klasik bir örneği, reaksiyondan sonra oksitlere dönüşen oksijendir. Ancak redoks reaksiyonlarında oksitleyici bir ajan da organik maddelere (örneğin ketonlar ve aldehitler), peroksitlere, hipokloritlere, kloratlara, nitrik ve sülfürik asitlere, manganez oksit ve permanganata indirgenen ozondur. Tüm bu maddelerin oksijen içerdiğini görmek kolaydır.
Diğer yaygın oksitleyiciler
Ancak redoks reaksiyonu sadece oksijen içeren bir süreç değildir. Bunun yerine halojenler, krom ve hatta metal katyonları ve bir hidrojen iyonu (tepkime sonucunda basit bir maddeye dönüşürse) oksitleyici ajan olarak işlev görebilir.
Kaç elektronun kabul edileceği, büyük ölçüde oksitleyici maddenin konsantrasyonuna ve bununla etkileşime giren metalin aktivitesine bağlıdır. Örneğin, konsantre nitrik asidin bir metal (çinko) ile tepkimesinde 3 elektron kabul edilebilir ve aynı maddelerin etkileşiminde asit çok seyreltik bir formda olmak şartıyla zaten 8 elektron alınabilir.
En güçlü oksitleyiciler
Tüm oksitleyici maddeler, özelliklerinin gücü bakımından farklılık gösterir. Bu nedenle, hidrojen iyonu düşük oksitleme kabiliyetine sahipken, aqua regia'da (1:3 oranında nitrik ve hidroklorik asitlerin bir karışımı) oluşan atomik klor, altın ve platini bile oksitleyebilir.
Konsantre selenik asit benzer özelliklere sahiptir. Bu onu diğer organik asitler arasında benzersiz kılar. Seyreltildiğinde altınla etkileşime giremez, ancak yine de sülfürik asitten daha güçlüdür ve hidroklorik asit gibi diğer asitleri bile oksitleyebilir.
Güçlü bir oksitleyici maddenin başka bir örneği de potasyum permanganattır. Organik bileşiklerle başarılı bir şekilde etkileşime girer ve güçlü karbon bağlarını kırabilir. Bakır oksit, sezyum ozonid, sezyum süperoksit ve ayrıca ksenon diflorür, tetraflorür ve ksenon heksaflorür de yüksek aktiviteye sahiptir. Oksitleme yetenekleri, seyreltik sulu bir solüsyonda reaksiyona girerken sahip oldukları yüksek elektrot potansiyelinden kaynaklanır.
Ancak, bu potansiyelin daha da yüksek olduğu maddeler var. İnorganik moleküller arasında, flor en güçlü oksitleyici ajandır, ancak ek ısı ve basınç olmadan inert gaz ksenon üzerinde hareket edemez. Ancak bu, platin heksaflorür, diflorodioksit, kripton diflorür, gümüş diflorür, iki değerli gümüş tuzları ve diğer bazı maddeler tarafından başarıyla üstesinden gelinir. Reaksiyonları redoks konusundaki benzersiz yetenekleri nedeniyle çok güçlü oksitleyiciler olarak sınıflandırılırlar.
Kurtarma
Başlangıçta, "iyileşme" terimi deoksidasyonla, yani bir oksijen maddesinin yoksun bırakılmasıyla eş anlamlıydı. Bununla birlikte, zamanla, kelime yeni bir anlam kazandı, metallerin onları içeren bileşiklerden çıkarılması ve ayrıca herhangi bir kimyasal dönüşüm anlamına geliyordu.bir maddenin elektronegatif kısmı, hidrojen gibi pozitif yüklü bir element ile değiştirilir.
İşlemin karmaşıklığı büyük ölçüde bileşikteki elementlerin kimyasal afinitesine bağlıdır. Ne kadar zayıf olursa, reaksiyon o kadar kolay gerçekleştirilir. Tipik olarak, afinite endotermik bileşiklerde daha zayıftır (oluşumları sırasında ısı emilir). İyileşmeleri oldukça basittir. Bunun çarpıcı bir örneği patlayıcılardır.
Ekzotermik bileşiklerin (ısı açığa çıkmasıyla oluşan) içeren bir reaksiyon için, elektrik akımı gibi güçlü bir enerji kaynağı uygulanmalıdır.
Standart indirgeyici ajanlar
En eski ve yaygın indirgeyici madde kömürdür. Cevher oksitleri ile karışır, ısıtıldığında, karbon ile birleşen karışımdan oksijen salınır. Sonuç bir toz, granül veya metal alaşımıdır.
Diğer bir yaygın indirgeme maddesi hidrojendir. Metal madenciliği yapmak için de kullanılabilir. Bunu yapmak için oksitler, içinden bir hidrojen akımının geçtiği bir tüpe tıkanır. Temel olarak bu yöntem bakır, kurşun, kalay, nikel veya kob alta uygulanır. Ütüye uygulayabilirsiniz ancak indirgeme eksik olur ve su oluşur. Aynı problem çinko oksitleri hidrojenle işlemeye çalışırken de gözlenir ve metalin uçuculuğu ile daha da kötüleşir. Potasyum ve diğer bazı elementler hidrojen tarafından hiç indirgenmez.
Organik kimyada reaksiyonların özellikleri
Devam ediyorindirgeme parçacığı elektronları kabul eder ve böylece atomlarından birinin oksidasyon sayısını düşürür. Bununla birlikte, inorganik bileşiklerin katılımıyla oksidasyon durumunu değiştirerek reaksiyonun özünü belirlemek uygundur, organik kimyada oksidasyon sayısını hesaplamak zordur, genellikle kesirli bir değere sahiptir.
Organik maddeleri içeren redoks reaksiyonlarında gezinmek için şu kuralı hatırlamanız gerekir: bir bileşik oksijen atomlarından vazgeçip hidrojen atomları aldığında indirgeme gerçekleşir ve bunun tersi de oksidasyon oksijenin eklenmesiyle karakterize edilir.
İndirgeme işlemi organik kimya için büyük pratik öneme sahiptir. Laboratuvar veya endüstriyel amaçlar, özellikle maddelerin ve sistemlerin hidrokarbon ve oksijen safsızlıklarından arındırılması için kullanılan katalitik hidrojenasyonun altında yatan kişidir.
Reaksiyon hem düşük sıcaklıklarda hem de basınçlarda (sırasıyla 100 santigrat dereceye ve 1-4 atmosfere kadar) ve yüksek sıcaklıklarda (400 dereceye ve birkaç yüz atmosfere kadar) devam edebilir. Organik maddelerin üretimi, doğru koşulları sağlamak için karmaşık araçlar gerektirir.
Aktif platin grubu metaller veya değerli olmayan nikel, bakır, molibden ve kob alt katalizör olarak kullanılır. İkinci seçenek daha ekonomiktir. Restorasyon, substrat ve hidrojenin aynı anda emilmesi ve aralarındaki reaksiyonun kolaylaşması nedeniyle meydana gelir.
İndirgeme reaksiyonları devam ederve insan vücudunun içinde. Bazı durumlarda faydalı ve hatta hayati olabilirler, bazılarında ise ciddi olumsuz sonuçlara yol açabilirler. Örneğin vücuttaki nitrojen içeren bileşikler, diğer yararlı işlevlerin yanı sıra dokuların yapı malzemesi olan protein maddelerini oluşturan birincil aminlere dönüştürülür. Aynı zamanda, anilin boyalı gıdalar toksik bileşikler üretir.
Tepki türleri
Ne tür redoks reaksiyonları, oksidasyon durumlarındaki değişikliklerin varlığına bakarsanız netleşir. Ancak bu tür bir kimyasal dönüşüm içinde varyasyonlar vardır.
Yani, biri oksitleyici atom, diğeri indirgeyici madde içeren etkileşime farklı maddelerin molekülleri katılırsa, reaksiyon moleküller arası kabul edilir. Bu durumda redoks reaksiyon denklemi aşağıdaki gibi olabilir:
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
Denklem, demir ve hidrojenin oksidasyon durumlarının farklı maddelerin parçası oldukları halde değiştiğini gösterir.
Fakat ayrıca bir kimyasal bileşikteki bir atomun oksitlendiği ve diğerinin indirgendiği ve yeni maddelerin elde edildiği intramoleküler redoks reaksiyonları da vardır:
2H2O=2H2 + O2.
Aynı element bir elektron verici ve alıcı olarak hareket ettiğinde ve farklı oksidasyon durumlarına dahil olan birkaç yeni bileşik oluşturduğunda daha karmaşık bir süreç meydana gelir. Böyle bir sürece denirdismutasyon veya orantısızlık. Bunun bir örneği şu dönüşümdür:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
Redoks reaksiyonunun yukarıdaki denkleminden, klorun +5 oksidasyon durumunda olduğu Bertolet tuzunun iki bileşene ayrıştığı görülebilir - klor -1 oksidasyon durumuna sahip potasyum klorür ve +7 oksidasyon numarası ile perklorat. Aynı elementin oksidasyon durumunu eşzamanlı olarak arttırdığı ve düşürdüğü ortaya çıktı.
Dismutasyon sürecinin tersi, birlikte-orantılama veya yeniden-orantılamanın reaksiyonudur. İçinde, farklı oksidasyon durumlarında aynı elementi içeren iki bileşik, tek bir oksidasyon numarasına sahip yeni bir madde oluşturmak için birbirleriyle reaksiyona girer:
SO2 +2H2S=3S + 2H2O.
Yukarıdaki örneklerden de görebileceğiniz gibi, bazı denklemlerde maddenin önüne sayılar gelir. Prosese dahil olan moleküllerin sayısını gösterirler ve redoks reaksiyonlarının stokiyometrik katsayıları olarak adlandırılırlar. Denklemin doğru olması için onları nasıl düzenleyeceğinizi bilmeniz gerekir.
E-denge yöntemi
Redoks reaksiyonlarındaki denge her zaman korunur. Bu, oksitleyici ajanın, indirgeyici ajan tarafından verilen kadar elektronu tam olarak kabul ettiği anlamına gelir. Redoks reaksiyonu için bir denklemi doğru bir şekilde oluşturmak için şu algoritmayı izlemeniz gerekir:
- Reaksiyondan önce ve sonra elementlerin oksidasyon durumlarını belirleyin. örneğin,su varlığında nitrik asit ve fosfor arasındaki reaksiyon fosforik asit ve nitrik oksit üretir: HNO3 + P + H2O=H3PO4 + HAYIR. Tüm bileşiklerde hidrojen +1 oksidasyon durumuna ve oksijen -2'ye sahiptir. Azot için, reaksiyon başlamadan önce oksidasyon sayısı +5 ve devam ettikten sonra fosfor için sırasıyla - 0 ve +5'tir.
- Oksidasyon sayısının değiştiği elementleri işaretleyin (azot ve fosfor).
- Elektronik denklemleri oluşturun: N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- En küçük ortak katı seçerek ve çarpanı hesaplayarak alınan elektronların sayısını eşitleyin (3 ve 5 sayıları sırasıyla 15 sayısı için bölendir, azot için çarpan 5 ve fosfor 3 için): 5N +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- Sonuçtaki yarı reaksiyonları sol ve sağ kısımlara göre ekleyin: 5N+5 + 3P0=5N + 2 - 15.=3Р+5. Bu aşamada her şey doğru yapılırsa elektronlar küçülür.
- Denklemi tamamen yeniden yazın, katsayıları redoks reaksiyonunun elektronik dengesine göre yazın: 5HNO3 + 3P + H2 O=3H 3PO4 + 5HAYIR.
- Reaksiyondan önceki ve sonraki elementlerin sayısının her yerde aynı kalıp kalmadığını kontrol edin ve gerekirse diğer maddelerin önüne katsayılar ekleyin (bu örnekte hidrojen ve oksijen miktarı eşitlenmemiştir. reaksiyon denkleminin doğru görünmesi için önüne bir katsayı eklemeniz gerekir.su): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5HAYIR.
Böyle basit bir yöntem, katsayıları doğru bir şekilde yerleştirmenize ve karışıklığı önlemenize olanak tanır.
Reaksiyon örnekleri
Redoks reaksiyonunun açıklayıcı bir örneği, manganezin konsantre sülfürik asit ile etkileşimidir ve şu şekilde ilerler:
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
Redoks reaksiyonu, manganez ve kükürtün oksidasyon durumlarında bir değişiklik ile ilerler. Prosesin başlamasından önce manganez bağlanmamış durumdaydı ve sıfır oksidasyon durumuna sahipti. Ancak asidin bir parçası olan kükürt ile etkileşime girdiğinde oksidasyon durumunu +2'ye yükseltti, böylece bir elektron donörü görevi gördü. Aksine kükürt, oksidasyon durumunu +6'dan +4'e düşürerek bir alıcı rolü oynadı.
Ancak, manganezin elektron alıcısı olarak davrandığı reaksiyonlar da vardır. Örneğin, bu, oksidinin hidroklorik asit ile etkileşimidir, reaksiyona göre ilerler:
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
Bu durumda redoks reaksiyonu, manganezin oksidasyon durumunda +4'ten +2'ye bir azalma ve klorun oksidasyon durumunda -1'den 0'a bir artışla ilerler.
Önceden, %75 sülfürik asit üreten su varlığında kükürt oksidin nitrojen oksit ile oksidasyonu büyük pratik öneme sahipti:
SO2 + NO2 + H2O=NO + H2So4.
Redoks reaksiyonu eskiden özel kulelerde yapılırdı ve son ürüne kule adı verilirdi. Şimdi bu yöntem, asit üretimindeki tek yöntemden uzaktır, çünkü örneğin katı katalizörler kullanarak temas gibi başka modern yöntemler de vardır. Ancak redoks reaksiyonu yöntemiyle asit elde etmenin yalnızca endüstriyel değil, aynı zamanda tarihsel önemi de vardır, çünkü Aralık 1952'de Londra'nın havasında kendiliğinden meydana gelen tam da böyle bir süreçti.
Antiksiklon daha sonra alışılmadık derecede soğuk hava getirdi ve kasaba halkı evlerini ısıtmak için çok fazla kömür kullanmaya başladı. Savaştan sonra bu kaynak kalitesiz olduğundan, havada büyük miktarda kükürt dioksit yoğunlaştı ve bu da atmosferdeki nem ve nitrojen oksit ile reaksiyona girdi. Bu fenomenin bir sonucu olarak, bebeklerin, yaşlıların ve solunum yolu hastalıklarından muzdarip olanların ölüm oranları artmıştır. Etkinliğe Büyük Smog adı verildi.
Dolayısıyla redoks reaksiyonları büyük pratik öneme sahiptir. Mekanizmalarını anlamak, doğal süreçleri daha iyi anlamanıza ve laboratuvarda yeni maddeler elde etmenize olanak tanır.
