Определение и применение окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительные реакции, также известные как окислительно-восстановительные реакции или окислительно-восстановительные реакции, представляют собой тип реакций, в которых оба этих процесса (окисление и восстановление) происходят одновременно. Окисление — это процесс, который включает потерю электронов из частиц, в то время как восстановление — это процесс, который включает в себя получение электронов из частиц. Итак, в окислительно-восстановительных реакциях, в основном, есть два (или более) реагента, из которых один теряет электроны (и, следовательно, окисляется), а другой получает электроны (и, следовательно, восстанавливается) одновременно. В одном из особых случаев окислительно-восстановительных реакций может быть задействован только один реагент, который одновременно окисляется и восстанавливается в одной реакции. Таким образом, в целом существует баланс электронов среди реагентов, участвующих в реакциях, т.е.

Окислительно-восстановительные реакции могут быть трех типов, в зависимости от количества реагентов, участвующих в реакции. Это — межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции, внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции и окислительно-восстановительные реакции диспропорционирования. Кроме того, окислительно-восстановительные реакции можно классифицировать как прямые и непрямые окислительно-восстановительные реакции в зависимости от количества систем, участвующих в проведении реакции.

Применение окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительные реакции находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Эти приложения обсуждаются ниже:

Восстановительный процесс горения : в реакции горения реагирующее соединение, которое подвергается горению, вступает в реакцию с молекулярным кислородом. Молекулярный кислород, участвующий в этой реакции, обычно переходит от степени окисления «ноль» к более низкой степени окисления «-2», в то время как вещество, которое подвергается сгоранию, получает энергию (от тепловой энергии, подаваемой к нему для процесса сгорания. ) и переходит от более низкой степени окисления (исходной формы) к более высокой положительной степени окисления. Таким образом, процесс горения включает в себя как окисление (вещества, подвергающегося горению), так и восстановление (молекулярного кислорода) и, следовательно, рассматривается как окислительно-восстановительная реакция. На примере окисления метана мы описываем протекающую реакцию следующим образом:

CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O + Огромное количество энергии

Окисление

Та же концепция окислительно-восстановительной реакции в реакциях горения также применяется в космических кораблях для запуска ракет. Топливо, присутствующее в ракетах, может сгореть, что из-за окисления топлива и восстановления окислителя (обычно молекулярного кислорода) высвобождает огромное количество энергии, которое требуется для запуска ракеты с земли в воздух и затем, наконец, в космос.

Электрохимические реакции: По сути, электрохимия — это изучение взаимосвязи между химическим и электрическим взаимодействием реагентов, участвующих в конкретной реакции. Концепция электрохимии полностью основана на окислительно-восстановительных реакциях, которые происходят между двумя частицами, которые имеют разные ионные потенциалы или состояния окисления. В электрохимических реакциях берутся два раствора химических частиц с разной электрической энергией. Эти химические вещества имеют разные степени окисления или энергии ионизации, которые делают их электрически отличными друг от друга. Поскольку мы знаем, что электроны имеют тенденцию течь из области с высоким потенциалом в область с низким потенциалом,

Очень распространенный пример электрохимической реакции происходит между цинком и медью, когда цинк присутствует на аноде, а медь присутствует на катоде. Поток электронов происходит от цинка (который окисляется от степени окисления «ноль» до степени окисления «+2») к меди (которая восстанавливается от степени окисления +2 до степени окисления нулевой). Реакция происходит следующим образом:

Снижение

Zn + Cu ₂ ⁺ → Zn ₂ ⁺ + Cu

Окисление

Электрохимические элементы или батареи: Электрохимические элементы или батареи, которые мы используем в нашей повседневной жизни для работы множества устройств, приборов и даже транспортных средств, основаны на применении окислительно-восстановительных реакций. Химическое вещество, используемое в этих электрохимических элементах или батареях, накапливает химическую энергию, которая при работе подвергается окислительно-восстановительной реакции с образованием электрической энергии. Эти электрохимические элементы или батареи состоят из гальванического элемента (также известного как гальванический элемент), который состоит из двух полуэлементов и соединен между собой посредством полупроницаемой мембраны и имеет провод, подключенный к нему. Обе полуячейки содержат металл с разным потенциалом ионизации, действующий как два электрода, один анод и один катод. Реакция инициируется с помощью раствора электролита, присутствующего в этих электрохимических элементах или батареях, который действует как градиент концентрации электронов для полуэлементов. Между этими двумя полуячейками происходит химическая реакция, которая приводит к восстановлению на катоде и окислению на аноде. Поскольку поток электронов протекает с реакцией, этот поток электронов используется в качестве источника электрической энергии для подачи энергии на устройство или прибор, который нам нужен, с помощью провода или соединительной поверхности.

Процесс фотосинтеза . Пример фотосинтеза, вероятно, может ассоциироваться у всех, поскольку это один из наиболее связанных процессов, которые мы наблюдаем вокруг нас в повседневной жизни. Мы изучали этот процесс с детства, что зеленые растения используют солнечный свет и могут готовить себе еду, обрабатывая химические реакции в своих листьях. Но мало ли вы знали, что химический процесс на самом деле был окислительно-восстановительной реакцией.

Зеленые растения чувствительны к солнечному свету из-за пигмента хлорофилла, присутствующего в их листьях и поглощающего его. Этот поглощенный солнечный свет действует как энергия активации для преобразования углекислого газа (поглощаемого растениями из окружающей среды) и воды (поглощаемой растением из почвы) в углеводы. В этой реакции углекислый газ восстанавливается до углеводов (которые служат источником пищи и энергии для растений), а вода окисляется до кислорода (который выделяется в окружающий их воздух). Описанная выше окислительно-восстановительная реакция поясняется следующим образом:

6CO ₂ + 6H ₂ O → C6H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

Эта реакция является источником пищи как для самих растений, так и для организмов, питающихся растениями (например, травоядных животных, микроорганизмов и людей).

Извлечение металлов: окислительно-восстановительные реакции находят широкое применение в добывающей промышленности для извлечения металлов или минералов из природных руд. Металлы обычно существуют в природе в окисленном состоянии (из-за их длительного воздействия кислорода, присутствующего в окружающем их воздухе). Следовательно, их необходимо восстановить, чтобы извлечь из них требуемый металл. В промышленности это делается в больших масштабах с помощью подходящего восстановителя, в зависимости от металла или руды, подлежащих очистке. Например, железо извлекается из окисленной руды оксида железа в большой доменной печи на предприятиях по добыче и переработке чугуна с использованием кокса в качестве восстановителя. Реакция извлечения металлического железа из окисленной природной руды протекает следующим образом:

Fe ₂ O ₃ + 3C → 2Fe + 3CO

Аналогичным образом алюминий извлекается из руды, оксида алюминия [Al (OH) ₃ ], путем восстановления. Другие металлы, извлекаемые таким же образом, включают магний, натрий, кальций, калий, литий и многие другие. 

Количественный анализ: Окислительно-восстановительные реакции составляют основной принцип окислительно-восстановительного титрования, проводимого для количественного анализа различных веществ. Окислительно-восстановительное титрование проводится для определения концентрации любых электрически заряженных частиц, присутствующих в растворе пробы. Это делается путем титрования неизвестного вещества по стандартизированному титранту, концентрация которого нам уже известна. При этом типе титрования раствор, содержащий неизвестное вещество, хранится в нижней колбе, а раствор известного титранта заливается в бюретку. Раствор из бюретки может капать в нижнюю колбу (содержащую неизвестное вещество и индикатор) до тех пор, пока индикатор не изменит цвет раствора в колбе, показывая, что конечная точка титрования достигнута. В конечной точке записывается объем стандартизированного титранта. Этот объем равен объему неизвестного вещества, необходимого для нейтрализации стандартизованного титранта. Объем, оставшийся в растворе пробы, рассчитывается на основе общего количества взятой пробы, и, таким образом, мы можем вычислить концентрацию неизвестного вещества, присутствующего в этом растворе. Эти реакции весьма полезны в фармацевтической промышленности.