ერთი ნივთიერების მეორეში გადაქცევას ახალი ნაერთების წარმოქმნით ქიმიური რეაქცია ეწოდება. ამ პროცესის გააზრებას დიდი მნიშვნელობა აქვს ადამიანების ცხოვრებისთვის, რადგან მისი დახმარებით შეგიძლიათ მიიღოთ უზარმაზარი რაოდენობით საჭირო და სასარგებლო ნივთიერებები, რომლებიც ბუნებაში მცირე რაოდენობით გვხვდება ან საერთოდ არ არსებობს მათი ბუნებრივი სახით. ყველაზე მნიშვნელოვან ჯიშებს შორისაა რედოქსის რეაქციები (შემოკლებით OVR ან რედოქსი). მათ ახასიათებთ ატომების ან იონების ჟანგვის მდგომარეობის ცვლილება.
რეაქციის დროს მიმდინარე პროცესები
რეაქციის დროს მიმდინარეობს ორი პროცესი - დაჟანგვა და რედუქცია. პირველ მათგანს ახასიათებს ელექტრონების დონაცია შემცირების აგენტების (დონორების) მიერ მათი დაჟანგვის მდგომარეობის გაზრდით, მეორეს ელექტრონების დამატებით ჟანგვის აგენტებით (მიმღებებით) მათი დაჟანგვის მდგომარეობის შემცირებით. ყველაზე გავრცელებული შემამცირებელი აგენტებია ლითონები და არალითონური ნაერთები ყველაზე დაბალი დაჟანგვის მდგომარეობაში (წყალბადის სულფიდი, ამიაკი). ტიპიურიჟანგვის აგენტებია ჰალოგენები, აზოტი, ჟანგბადი, აგრეთვე ნივთიერებები, რომლებიც შეიცავს ელემენტს უმაღლესი დაჟანგვის მდგომარეობაში (აზოტის ან გოგირდის მჟავა). ატომებს, იონებს, მოლეკულებს შეუძლიათ ელექტრონების გაცემა ან მოპოვება.
1777 წლამდე ვარაუდობდნენ, რომ დაჟანგვა იწვევს უხილავი აალებადი ნივთიერების დაკარგვას, რომელსაც ფლოგისტონი ეწოდება. თუმცა, ა.ლავუაზიეს მიერ შექმნილმა წვის თეორიამ დაარწმუნა მეცნიერები, რომ დაჟანგვა ხდება ჟანგბადთან ურთიერთობისას, ხოლო შემცირება ხდება წყალბადის მოქმედებით. მხოლოდ გარკვეული პერიოდის შემდეგ გაირკვა, რომ არა მხოლოდ წყალბადს და ჟანგბადს შეუძლია გავლენა მოახდინოს რედოქს რეაქციებზე.
ოქსიდაცია
დაჟანგვის პროცესი შეიძლება მოხდეს როგორც თხევად და აირისებრ ფაზებში, ასევე მყარი ნივთიერებების ზედაპირზე. განსაკუთრებულ როლს ასრულებს ელექტროქიმიური დაჟანგვა, რომელიც ხდება ხსნარებში ან დნება ანოდში (ელექტროდი, რომელიც დაკავშირებულია ენერგიის წყაროს დადებით პოლუსთან). მაგალითად, როდესაც ფტორი დნება ელექტროლიზით (ნივთიერების დაშლა მის შემადგენელ ელემენტებად ელექტროდებზე), მიიღება უძლიერესი არაორგანული ჟანგვის აგენტი, ფტორი.
დაჟანგვის კიდევ ერთი კლასიკური მაგალითია წვა ჰაერში და სუფთა ჟანგბადი. ამ პროცესს შეუძლია სხვადასხვა ნივთიერებები: ლითონები და არამეტალები, ორგანული და არაორგანული ნაერთები. პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს საწვავის წვას, რომელიც ძირითადად წარმოადგენს ნახშირწყალბადების კომპლექსურ ნარევს მცირე რაოდენობით ჟანგბადთან, გოგირდთან, აზოტთან და სხვა ელემენტებთან.
კლასიკური ოქსიდიზატორი -ჟანგბადი
უბრალო ნივთიერებას ან ქიმიურ ნაერთს, რომელშიც ატომები აერთებენ ელექტრონებს, ეწოდება ჟანგვის აგენტი. ასეთი ნივთიერების კლასიკური მაგალითია ჟანგბადი, რომელიც რეაქციის შემდეგ იქცევა ოქსიდებად. მაგრამ ასევე ჟანგვის აგენტი რედოქს რეაქციებში არის ოზონი, რომელიც მცირდება ორგანულ ნივთიერებებად (მაგალითად, კეტონები და ალდეჰიდები), პეროქსიდები, ჰიპოქლორიტები, ქლორატები, აზოტის და გოგირდის მჟავები, მანგანუმის ოქსიდი და პერმანგანატი. ადვილი მისახვედრია, რომ ყველა ეს ნივთიერება შეიცავს ჟანგბადს.
სხვა გავრცელებული ოქსიდიზატორები
თუმცა, რედოქს რეაქცია არ არის მხოლოდ პროცესი, რომელიც მოიცავს ჟანგბადს. სამაგიეროდ, ჰალოგენებს, ქრომს და მეტალის კათიონებსაც კი და წყალბადის იონს (თუ რეაქციის შედეგად ის უბრალო ნივთიერებად გადაიქცევა) შეუძლია იმოქმედოს ჟანგვის აგენტად.
რამდენი ელექტრონი იქნება მიღებული, დიდწილად დამოკიდებულია ჟანგვის აგენტის კონცენტრაციაზე, ისევე როგორც მასთან ურთიერთქმედების მეტალის აქტივობაზე. მაგალითად, კონცენტრირებული აზოტის მჟავას მეტალთან (თუთია) რეაქციაში შეიძლება მიღებულ იქნეს 3 ელექტრონი, ხოლო იგივე ნივთიერებების ურთიერთქმედებისას, იმ პირობით, რომ მჟავა ძალიან განზავებული ფორმით იყოს, უკვე 8 ელექტრონი.
უძლიერესი ოქსიდიზატორები
ყველა ჟანგვითი აგენტი განსხვავდება მათი თვისებების სიძლიერით. ასე რომ, წყალბადის იონს აქვს დაბალი დაჟანგვის უნარი, ხოლო ატომურ ქლორს, რომელიც წარმოიქმნება აკვა რეგიაში (აზოტის და მარილმჟავების ნარევი 1:3 თანაფარდობით), შეუძლია ოქროს და პლატინის დაჟანგვაც კი.
მსგავსი თვისებები აქვს
კონცენტრირებულ სელენის მჟავას. ეს ხდის მას უნიკალურს სხვა ორგანულ მჟავებს შორის. როდესაც განზავდება, მას არ შეუძლია ურთიერთქმედება ოქროსთან, მაგრამ მაინც უფრო ძლიერია ვიდრე გოგირდის მჟავა და შეუძლია სხვა მჟავების დაჟანგვაც კი, როგორიცაა მარილმჟავა.
ძლიერი ჟანგვის აგენტის კიდევ ერთი მაგალითია კალიუმის პერმანგანატი. ის წარმატებით ურთიერთქმედებს ორგანულ ნაერთებთან და შეუძლია დაარღვიოს ძლიერი ნახშირბადის ბმები. ასევე მაღალი აქტივობა აქვთ სპილენძის ოქსიდს, ცეზიუმის ოზონიდს, ცეზიუმის სუპეროქსიდს, ასევე ქსენონის დიფტორს, ტეტრაფტორს და ქსენონ ჰექსაფტორიდს. მათი დაჟანგვის უნარი განპირობებულია ელექტროდის მაღალი პოტენციალით, როდესაც რეაგირებენ განზავებულ წყალხსნარში.
თუმცა, არის ნივთიერებები, რომლებშიც ეს პოტენციალი კიდევ უფრო მაღალია. არაორგანულ მოლეკულებს შორის ფტორი არის ყველაზე ძლიერი ჟანგვის აგენტი, მაგრამ მას არ შეუძლია იმოქმედოს ინერტული აირის ქსენონზე დამატებითი სითბოს და წნევის გარეშე. მაგრამ ამას წარმატებით უმკლავდება პლატინის ჰექსაფტორიდი, დიფტორდიოქსიდი, კრიპტონ დიფტორიდი, ვერცხლის დიფტორიდი, ორვალენტიანი ვერცხლის მარილები და ზოგიერთი სხვა ნივთიერება. რედოქსის რეაქციების უნიკალური უნარის გამო, ისინი კლასიფიცირდება როგორც ძალიან ძლიერი ოქსიდიზატორები.
აღდგენა
თავდაპირველად, ტერმინი "აღდგენა" იყო დეოქსიდაციის სინონიმი, ანუ ნივთიერების ჟანგბადის ნაკლებობა. თუმცა, დროთა განმავლობაში, სიტყვამ ახალი მნიშვნელობა შეიძინა, ის ნიშნავდა ლითონების მოპოვებას მათ შემცველი ნაერთებიდან, ისევე როგორც ნებისმიერ ქიმიურ ტრანსფორმაციას, რომელშიცნივთიერების ელექტროუარყოფითი ნაწილი იცვლება დადებითად დამუხტული ელემენტით, როგორიცაა წყალბადი.
პროცესის სირთულე დიდწილად დამოკიდებულია ნაერთში არსებული ელემენტების ქიმიურ კავშირზე. რაც უფრო სუსტია, მით უფრო ადვილია რეაქცია. როგორც წესი, აფინურობა უფრო სუსტია ენდოთერმულ ნაერთებში (სითბო შეიწოვება მათი წარმოქმნის დროს). მათი აღდგენა საკმაოდ მარტივია. ამის ნათელი მაგალითია ასაფეთქებელი ნივთიერებები.
ეგზოთერმული ნაერთების (სითბოს გამოყოფის შედეგად წარმოქმნილი) რეაქციისთვის უნდა იქნას გამოყენებული ენერგიის ძლიერი წყარო, როგორიცაა ელექტრული დენი.
სტანდარტული შემცირების აგენტები
ყველაზე უძველესი და გავრცელებული შემცირების აგენტი არის ქვანახშირი. იგი ერევა მადნის ოქსიდებს, გაცხელებისას ნარევიდან გამოიყოფა ჟანგბადი, რომელიც ერწყმის ნახშირბადს. შედეგი არის ფხვნილი, გრანულები ან ლითონის შენადნობი.
სხვა საერთო შემცირების აგენტია წყალბადი. ის ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლითონების მოსაპოვებლად. ამისათვის ოქსიდები იკეტება მილში, რომლის მეშვეობითაც წყალბადის ნაკადი გადის. ძირითადად, ეს მეთოდი გამოიყენება სპილენძის, ტყვიის, კალის, ნიკელის ან კობალტის მიმართ. შეგიძლიათ წაისვათ რკინაზე, მაგრამ შემცირება არასრული იქნება და წყალი წარმოიქმნება. იგივე პრობლემა შეიმჩნევა თუთიის ოქსიდების წყალბადით დამუშავების მცდელობისას და მას კიდევ უფრო ამძიმებს ლითონის ცვალებადობა. კალიუმი და ზოგიერთი სხვა ელემენტი წყალბადით საერთოდ არ მცირდება.
რეაქციის თავისებურებები ორგანულ ქიმიაში
მიმდინარეობსშემცირების ნაწილაკი იღებს ელექტრონებს და ამით ამცირებს მისი ერთ-ერთი ატომის დაჟანგვის რიცხვს. თუმცა რეაქციის არსის დადგენა მოსახერხებელია ჟანგვის მდგომარეობის შეცვლით არაორგანული ნაერთების მონაწილეობით, ხოლო ორგანულ ქიმიაში რთულია დაჟანგვის რიცხვის გამოთვლა, მას ხშირად აქვს წილადი მნიშვნელობა.
ორგანულ ნივთიერებებთან დაკავშირებული რედოქს რეაქციების ნავიგაციისთვის, უნდა გახსოვდეთ შემდეგი წესი: შემცირება ხდება მაშინ, როდესაც ნაერთი ტოვებს ჟანგბადის ატომებს და იძენს წყალბადის ატომებს, და პირიქით, დაჟანგვას ახასიათებს ჟანგბადის დამატება.
რედუქციის პროცესს დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს ორგანული ქიმიისთვის. ეს არის ის, ვინც საფუძვლად უდევს კატალიზურ ჰიდროგენიზაციას, რომელიც გამოიყენება ლაბორატორიული ან სამრეწველო მიზნებისთვის, კერძოდ, ნივთიერებებისა და სისტემების გაწმენდა ნახშირწყალბადისა და ჟანგბადის მინარევებისაგან.
რეაქცია შეიძლება გაგრძელდეს როგორც დაბალ ტემპერატურაზე და წნევაზე (100 გრადუს ცელსიუსამდე და 1-4 ატმოსფერომდე, შესაბამისად), ასევე მაღალ ტემპერატურაზე (400 გრადუსამდე და რამდენიმე ასეულ ატმოსფერომდე). ორგანული ნივთიერებების წარმოებას სჭირდება რთული ინსტრუმენტები, რათა უზრუნველყოს სწორი პირობები.
აქტიური პლატინის ჯგუფის ლითონები ან არაძვირფასი ნიკელი, სპილენძი, მოლიბდენი და კობალტი გამოიყენება კატალიზატორებად. ეს უკანასკნელი ვარიანტი უფრო ეკონომიურია. აღდგენა ხდება სუბსტრატისა და წყალბადის ერთდროული შეწოვის გამო მათ შორის რეაქციის გაადვილებით.
შემცირების რეაქციები გრძელდებადა ადამიანის სხეულის შიგნით. ზოგიერთ შემთხვევაში, ისინი შეიძლება იყოს სასარგებლო და სასიცოცხლოდ აუცილებელიც კი, ზოგ შემთხვევაში შეიძლება გამოიწვიოს სერიოზული უარყოფითი შედეგები. მაგალითად, ორგანიზმში აზოტის შემცველი ნაერთები გარდაიქმნება პირველად ამინებად, რომლებიც, სხვა სასარგებლო ფუნქციებთან ერთად, წარმოადგენენ ცილოვან ნივთიერებებს, რომლებიც წარმოადგენს ქსოვილების სამშენებლო მასალას. ამავდროულად, ანილინით შეღებილი საკვები წარმოქმნის ტოქსიკურ ნაერთებს.
რეაქციის სახეები
როგორი რედოქსული რეაქციებია, ცხადი გახდება, თუ გადავხედავთ ჟანგვის მდგომარეობებში ცვლილებების არსებობას. მაგრამ ამ ტიპის ქიმიურ ტრანსფორმაციაში არის ვარიაციები.
ასე რომ, თუ ურთიერთქმედებაში მონაწილეობენ სხვადასხვა ნივთიერების მოლეკულები, რომელთაგან ერთი მოიცავს ჟანგვის ატომს, ხოლო მეორე აღმდგენი აგენტს, რეაქცია განიხილება მოლეკულური. ამ შემთხვევაში რედოქსის რეაქციის განტოლება შეიძლება იყოს შემდეგი:
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
განტოლება გვიჩვენებს, რომ რკინისა და წყალბადის დაჟანგვის მდგომარეობები იცვლება, როცა ისინი სხვადასხვა ნივთიერებების ნაწილია.
მაგრამ არის აგრეთვე ინტრამოლეკულური რედოქსული რეაქციები, როდესაც ქიმიურ ნაერთში ერთი ატომი იჟანგება და მეორე მცირდება და მიიღება ახალი ნივთიერებები:
2H2O=2H2 + O2.
უფრო რთული პროცესი ხდება, როდესაც ერთი და იგივე ელემენტი მოქმედებს როგორც ელექტრონის დონორი და მიმღები და აყალიბებს რამდენიმე ახალ ნაერთს, რომლებიც შედის სხვადასხვა დაჟანგვის მდგომარეობებში. ასეთ პროცესს ე.წდისმუტაცია ან არაპროპორციულობა. ამის მაგალითია შემდეგი ტრანსფორმაცია:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
რედოქსის რეაქციის ზემოაღნიშნული განტოლებიდან ჩანს, რომ ბერტოლეს მარილი, რომელშიც ქლორი +5 ჟანგვის მდგომარეობაშია, იშლება ორ კომპონენტად - კალიუმის ქლორიდად ქლორის დაჟანგვის მდგომარეობით -1 და პექლორატი +7 დაჟანგვის რიცხვით. გამოდის, რომ ერთი და იგივე ელემენტი ერთდროულად გაიზარდა და შეამცირა მისი დაჟანგვის მდგომარეობა.
დისმუტაციის პროცესის საპირისპირო არის თანაპროპორციულობის ან რეპროპორციაციის რეაქცია. მასში ორი ნაერთი, რომელიც შეიცავს ერთსა და იმავე ელემენტს სხვადასხვა დაჟანგვის მდგომარეობებში, ურთიერთქმედებს ერთმანეთთან და წარმოქმნის ახალ ნივთიერებას ერთი დაჟანგვის რიცხვით:
SO2 +2H2S=3S + 2H2O.
როგორც ზემოთ მოყვანილი მაგალითებიდან ხედავთ, ზოგიერთ განტოლებაში ნივთიერებას წინ უძღვის რიცხვები. ისინი აჩვენებენ პროცესში ჩართული მოლეკულების რაოდენობას და უწოდებენ რედოქს რეაქციების სტოქიომეტრულ კოეფიციენტებს. იმისათვის, რომ განტოლება იყოს სწორი, თქვენ უნდა იცოდეთ როგორ მოაწყოთ ისინი.
ელექტრონული ბალანსის მეთოდი
ბალანსი რედოქს რეაქციებში ყოველთვის შენარჩუნებულია. ეს ნიშნავს, რომ ჟანგვის აგენტი იღებს ზუსტად იმდენ ელექტრონს, რამდენიც გამოყოფს შემცირების აგენტს. რედოქსის რეაქციის განტოლების სწორად შედგენისთვის, თქვენ უნდა მიჰყვეთ ამ ალგორითმს:
- დაადგინეთ ელემენტების დაჟანგვის მდგომარეობა რეაქციამდე და მის შემდეგ. მაგალითად, inრეაქცია აზოტმჟავასა და ფოსფორს შორის წყლის თანდასწრებით წარმოქმნის ფოსფორის მჟავას და აზოტის ოქსიდს: HNO3 + P + H2O=H3PO4 + NO. წყალბადს ყველა ნაერთში აქვს +1 ჟანგვის მდგომარეობა, ხოლო ჟანგბადს აქვს -2. აზოტისთვის, რეაქციის დაწყებამდე, ჟანგვის რიცხვია +5, ხოლო გაგრძელების შემდეგ +2, ფოსფორისთვის - 0 და +5, შესაბამისად..
- მონიშნეთ ელემენტები, რომლებშიც შეიცვალა ჟანგვის რიცხვი (აზოტი და ფოსფორი).
- შეადგინეთ ელექტრონული განტოლებები: N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- გათანაბრე მიღებული ელექტრონების რაოდენობა უმცირესი საერთო ჯერადის არჩევით და მულტიპლიკატორის გამოთვლით (3 და 5 რიცხვები გამყოფებია 15 რიცხვისთვის, შესაბამისად, აზოტის გამრავლება არის 5, ხოლო ფოსფორისთვის 3): 5N. +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- დაამატეთ მიღებული ნახევარრეაქციები მარცხენა და მარჯვენა ნაწილების მიხედვით: 5N+5 + 3P0=5N+ + 2 - მე-15=3Р+5. თუ ამ ეტაპზე ყველაფერი სწორად გაკეთდა, ელექტრონები შემცირდება.
- გადაწერეთ განტოლება მთლიანად, ჩამოწერეთ კოეფიციენტები რედოქსის რეაქციის ელექტრონული ბალანსის მიხედვით: 5HNO3 + 3P + H2 O=3H 3PO4 + 5NO.
- შეამოწმეთ, რჩება თუ არა ელემენტების რაოდენობა რეაქციამდე და მის შემდეგ ყველგან და, საჭიროების შემთხვევაში, დაამატეთ კოეფიციენტები სხვა ნივთიერებების წინ (ამ მაგალითში წყალბადის და ჟანგბადის რაოდენობა არ გათანაბრდა, რათა რეაქციის განტოლება რომ სწორად გამოიყურებოდეს, წინ უნდა დაამატოთ კოეფიციენტიწყალი): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5NO.
ასეთი მარტივი მეთოდი საშუალებას გაძლევთ სწორად მოათავსოთ კოეფიციენტები და თავიდან აიცილოთ დაბნეულობა.
რეაქციის მაგალითები
რედოქსის რეაქციის საილუსტრაციო მაგალითია მანგანუმის ურთიერთქმედება კონცენტრირებულ გოგირდმჟავასთან, შემდეგნაირად:
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
რედოქს რეაქცია მიმდინარეობს მანგანუმის და გოგირდის დაჟანგვის მდგომარეობების ცვლილებით. პროცესის დაწყებამდე მანგანუმი იყო შეკრულ მდგომარეობაში და ჰქონდა ნულოვანი ჟანგვის მდგომარეობა. მაგრამ გოგირდთან ურთიერთობისას, რომელიც მჟავის ნაწილია, მან გაზარდა ჟანგვის მდგომარეობა +2-მდე, რითაც მოქმედებს როგორც ელექტრონის დონორი. გოგირდი, პირიქით, ასრულებდა მიმღების როლს, ამცირებს ჟანგვის მდგომარეობას +6-დან +4-მდე.
თუმცა, არის რეაქციებიც, რომლებშიც მანგანუმი მოქმედებს როგორც ელექტრონების მიმღები. მაგალითად, ეს არის მისი ოქსიდის ურთიერთქმედება მარილმჟავასთან, რომელიც მიმდინარეობს რეაქციის მიხედვით:
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
რედოქს რეაქცია ამ შემთხვევაში მიმდინარეობს მანგანუმის ჟანგვის მდგომარეობის შემცირებით +4-დან +2-მდე და ქლორის დაჟანგვის მდგომარეობის მატებით -1-დან 0-მდე.
ადრე დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა ჰქონდა გოგირდის ოქსიდის დაჟანგვას აზოტის ოქსიდით წყლის თანდასწრებით, რომელიც წარმოქმნიდა 75% გოგირდმჟავას:
SO2 + NO2 + H2O=არა + H2So4.
რედოქს რეაქციას ატარებდნენ სპეციალურ კოშკებში და საბოლოო პროდუქტს ეწოდებოდა კოშკი. ახლა ეს მეთოდი შორს არის ერთადერთისგან მჟავას წარმოებაში, რადგან არსებობს სხვა თანამედროვე მეთოდები, მაგალითად, კონტაქტი მყარი კატალიზატორების გამოყენებით. მაგრამ რედოქსის რეაქციის მეთოდით მჟავას მიღებას არა მხოლოდ სამრეწველო, არამედ ისტორიული მნიშვნელობაც აქვს, რადგან სწორედ ასეთი პროცესი მოხდა სპონტანურად ლონდონის ჰაერში 1952 წლის დეკემბერში.
ანტიციკლონმა შემდეგ უჩვეულოდ ცივი ამინდი მოიტანა და ქალაქელებმა დაიწყეს ბევრი ნახშირის გამოყენება სახლების გასათბობად. ვინაიდან ომის შემდეგ ეს რესურსი უხარისხო იყო, ჰაერში კონცენტრირებული იყო დიდი რაოდენობით გოგირდის დიოქსიდი, რომელიც რეაგირებდა ატმოსფეროში ტენიანობასთან და აზოტის ოქსიდთან. ამ ფენომენის შედეგად გაიზარდა ახალშობილთა, მოხუცთა და რესპირატორული დაავადებებით დაავადებულთა სიკვდილიანობა. ღონისძიებას მიენიჭა დიდი სმოგის სახელი.
ამგვარად, რედოქს რეაქციებს დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს. მათი მექანიზმის გააზრება საშუალებას გაძლევთ უკეთ გაიგოთ ბუნებრივი პროცესები და მიაღწიოთ ახალ ნივთიერებებს ლაბორატორიაში.
