Жаңа қосылыстардың түзілуімен бір заттың екінші затқа айналуын химиялық реакция деп атайды. Бұл процесті түсіну адамдардың өмірі үшін үлкен маңызға ие, өйткені оның көмегімен табиғатта аз мөлшерде кездесетін немесе табиғи түрінде мүлде жоқ қажетті және пайдалы заттардың үлкен мөлшерін алуға болады. Ең маңызды сорттардың ішінде тотығу-тотықсыздану реакциялары (қысқартылған OVR немесе тотықсыздану). Олар атомдардың немесе иондардың тотығу дәрежелерінің өзгеруімен сипатталады.
Реакция кезінде болатын процестер
Реакция кезінде екі процесс жүреді – тотығу және тотықсыздану. Олардың біріншісі тотықсыздандырғыштардың (донорлардың) тотықсыздану дәрежесінің жоғарылауымен электрондардың берілуімен, екіншісі тотығу дәрежесінің төмендеуімен тотықтырғыштардың (акцепторлардың) электрондарды қосуымен сипатталады. Ең кең тараған тотықсыздандырғыштар тотығу дәрежесі ең төмен металдар мен бейметалл қосылыстар (күкіртті сутегі, аммиак). тәнтотықтырғыштар - галогендер, азот, оттегі, сонымен қатар ең жоғары тотығу дәрежесіндегі элементі бар заттар (азот немесе күкірт қышқылы). Атомдар, иондар, молекулалар электрон бере алады немесе алады.
1777 жылға дейін тотығу нәтижесінде флогистон деп аталатын көзге көрінбейтін жанғыш зат жоғалады деген болжам жасалды. Алайда А. Лавуазье жасаған жану теориясы ғалымдарды тотығу оттегімен әрекеттескенде, ал тотықсыздану сутегінің әсерінен болатынына сендірді. Біраз уақыттан кейін ғана тотығу-тотықсыздану реакцияларына сутегі мен оттегі ғана әсер етпейтіні белгілі болды.
Тотығу
Тотығу процесі сұйық және газ тәрізді фазаларда, сондай-ақ қатты заттардың бетінде болуы мүмкін. Ерекше рөлді анодтағы ерітінділерде немесе балқымаларда пайда болатын электрохимиялық тотығу (қуат көзінің оң полюсіне қосылған электрод) атқарады. Мысалы, фторидтерді электролиз арқылы балқытқанда (заттың электродтарда оның құрамдас элементтеріне ыдырауы) ең күшті бейорганикалық тотықтырғыш фтор алынады.
Тотығудың тағы бір классикалық мысалы - ауада және таза оттегіде жану. Бұл процеске әртүрлі заттар қабілетті: металдар мен бейметалдар, органикалық және бейорганикалық қосылыстар. Практикалық маңызы бар отынның жануы, ол негізінен көмірсутектердің аз мөлшерде оттегі, күкірт, азот және басқа элементтермен күрделі қоспасы болып табылады.
Классикалық тотықтырғыш –оттегі
Атомдары электрон қосатын қарапайым зат немесе химиялық қосылыс тотықтырғыш деп аталады. Мұндай заттың классикалық мысалы - реакциядан кейін оксидтерге айналатын оттегі. Сонымен қатар тотығу-тотықсыздану реакцияларында тотықтырғыш болып органикалық заттарға (мысалы, кетондар мен альдегидтер), асқын тотықтарға, гипохлориттерге, хлораттарға, азот және күкірт қышқылдарына, марганец оксиді мен перманганатқа дейін тотықсызданатын озон табылады. Бұл заттардың барлығында оттегі бар екенін байқау қиын емес.
Басқа жалпы тотықтырғыштар
Алайда тотығу-тотықсыздану реакциясы тек оттегінің қатысуымен жүретін процесс емес. Оның орнына галогендер, хром, тіпті металл катиондары мен сутегі ионы (егер ол реакция нәтижесінде қарапайым затқа айналса) тотықтырғыш ретінде әрекет ете алады.
Қанша электрон қабылданатыны негізінен тотықтырғыштың концентрациясына, сондай-ақ онымен әрекеттесетін металдың белсенділігіне байланысты. Мысалы, концентрлі азот қышқылының металмен (мырыш) әрекеттесуі кезінде 3 электрон, ал сол заттардың әрекеттесуінде қышқыл өте сұйылтылған күйде болған жағдайда қазірдің өзінде 8 электрон қабылдануы мүмкін.
Ең күшті тотықтырғыштар
Барлық тотықтырғыштар қасиеттерінің беріктігімен ерекшеленеді. Сонымен, сутегі ионының тотықтырғыш қабілеті төмен, ал акварегияда түзілген атомдық хлор (1:3 қатынасында азот пен тұз қышқылдарының қоспасы) тіпті алтын мен платинаны тотықтыра алады.
Концентрлі селен қышқылы ұқсас қасиеттерге ие. Бұл оны басқа органикалық қышқылдар арасында бірегей етеді. Сұйылтылған кезде ол алтынмен әрекеттесе алмайды, бірақ ол әлі де күкірт қышқылынан күшті, тіпті басқа қышқылдарды, мысалы, тұз қышқылын тотықтыра алады.
Күшті тотықтырғыштың тағы бір мысалы - калий перманганаты. Ол органикалық қосылыстармен сәтті әрекеттеседі және күшті көміртегі байланыстарын бұзуға қабілетті. Мыс оксиді, цезий озониді, цезий супероксиді, сондай-ақ ксенон дифториді, тетрафторид және ксенон гексафториді де жоғары белсенділікке ие. Олардың тотығу қабілеті сұйылтылған сулы ерітіндіде әрекеттескенде жоғары электродтық потенциалға байланысты.
Алайда бұл потенциал одан да жоғары болатын заттар бар. Бейорганикалық молекулалардың ішінде фтор ең күшті тотықтырғыш болып табылады, бірақ ол қосымша жылусыз және қысымсыз инертті газ ксенонына әсер ете алмайды. Бірақ бұл платина гексафториді, дифтордиоксиді, криптон дифториді, күміс дифториді, екі валентті күміс тұздары және кейбір басқа заттармен сәтті күреседі. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының бірегей қабілеті үшін олар өте күшті тотықтырғыштар ретінде жіктеледі.
Қалпына келтіру
Бастапқыда «қалпына келтіру» термині тотықсыздану, яғни оттегінің затын айыру деген сөздің синонимі болған. Алайда, уақыт өте келе бұл сөз жаңа мағынаға ие болды, ол құрамындағы қосылыстардан металдарды алуды, сондай-ақ кез келген химиялық өзгерістерді білдіреді.заттың электртеріс бөлігі сутегі сияқты оң зарядты элементпен ауыстырылады.
Процесстің күрделілігі негізінен қосылыстағы элементтердің химиялық жақындығына байланысты. Неғұрлым әлсіз болса, соғұрлым реакция оңайырақ болады. Әдетте эндотермиялық қосылыстарда аффинділік әлсіз болады (олардың түзілуі кезінде жылу жұтылады). Оларды қалпына келтіру өте қарапайым. Мұның жарқын мысалы - жарылғыш заттар.
Экзотермиялық қосылыстар (жылу бөлінуімен түзілетін) реакциясы үшін электр тогы сияқты күшті энергия көзін қолдану керек.
Стандартты төмендеткіштер
Ең көне және кең тараған тотықсыздандырғыш – көмір. Ол кен оксидтерімен араласады, қыздырған кезде қоспадан көміртегімен қосылатын оттегі бөлінеді. Нәтиже – ұнтақ, түйіршіктер немесе металл қорытпасы.
Тағы бір кең тараған тотықсыздандырғыш – сутегі. Оны металдарды өндіру үшін де қолдануға болады. Ол үшін оксидтер сутегі ағыны өтетін түтікке бітеліп қалады. Негізінен бұл әдіс мыс, қорғасын, қалайы, никель немесе кобальтқа қолданылады. Сіз оны үтікке қолдануға болады, бірақ қысқарту толық емес болады және су қалыптасады. Дәл осындай мәселе мырыш оксидтерін сутегімен өңдеуге тырысқанда байқалады және ол металдың құбылмалылығымен одан әрі шиеленісе түседі. Калий және кейбір басқа элементтер сутегімен мүлде тотықсызданбайды.
Органикалық химиядағы реакциялардың ерекшеліктері
Орындалудатотықсыздандырғыш бөлшек электрондарды қабылдайды және осылайша оның атомдарының бірінің тотығу санын төмендетеді. Дегенмен, реакцияның мәнін бейорганикалық қосылыстардың қатысуымен тотығу дәрежесін өзгерту арқылы анықтау ыңғайлы, ал органикалық химияда тотығу санын есептеу қиын, көбінесе оның бөлшек мәні болады.
Органикалық заттар қатысатын тотығу-тотықсыздану реакцияларында шарлау үшін келесі ережені есте сақтау қажет: тотықсыздану қосылыс оттегі атомдарынан бас тартқанда және сутегі атомдарын алған кезде жүреді және керісінше тотығу оттегінің қосылуымен сипатталады.
Тотықсыздану процесінің органикалық химия үшін практикалық маңызы зор. Зертханалық немесе өнеркәсіптік мақсаттарда, атап айтқанда, заттар мен жүйелерді көмірсутек пен оттегі қоспаларынан тазарту үшін қолданылатын каталитикалық гидрлеудің негізі осы.
Реакция төмен температурада да, қысымда да (тиісінше 100 градус Цельсий және 1-4 атмосфераға дейін), жоғары температурада да (400 градусқа дейін және бірнеше жүз атмосфераға дейін) жүруі мүмкін. Органикалық заттарды өндіру дұрыс шарттарды қамтамасыз ету үшін күрделі құралдарды қажет етеді.
Катализаторлар ретінде белсенді платина тобындағы металдар немесе бағалы емес никель, мыс, молибден және кобальт қолданылады. Соңғы нұсқа неғұрлым үнемді. Қалпына келтіру субстрат пен сутегінің бір мезгілде сорбциялануының және олардың арасындағы реакцияның жеңілдетілуіне байланысты болады.
Азайту реакциялары жалғасадыжәне адам денесінің ішінде. Кейбір жағдайларда олар пайдалы және тіпті өмірлік маңызды болуы мүмкін, басқаларында олар ауыр теріс салдарға әкелуі мүмкін. Мысалы, ағзадағы құрамында азот бар қосылыстар біріншілік аминдерге айналады, олар басқа пайдалы қызметтерімен қатар тіндердің құрылыс материалы болып табылатын белокты заттарды құрайды. Сонымен бірге анилинмен боялған тағамдар улы қосылыстар шығарады.
Реакция түрлері
Қандай тотығу-тотықсыздану реакциялары, тотығу дәрежелерінің өзгерістерінің бар-жоғын қарасаңыз, анық болады. Бірақ химиялық түрлендірудің бұл түрінің ішінде өзгерістер болады.
Сонымен, әрекеттесуге әртүрлі заттардың молекулалары қатысса, олардың біреуі тотықтырғыш атомды, екіншісін тотықсыздандырғышты қамтитын болса, реакция молекулааралық деп саналады. Бұл жағдайда тотығу-тотықсыздану реакциясының теңдеуі келесідей болуы мүмкін:
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
Теңдеу темір мен сутегінің тотығу дәрежелерінің өзгеретінін көрсетеді, бірақ олар әртүрлі заттардың бөлігі болып табылады.
Бірақ молекулаішілік тотығу-тотықсыздану реакциялары да бар, оларда химиялық қосылыстағы бір атом тотығады, екіншісі тотықсызданады және жаңа заттар алынады:
2H2O=2H2 + O2.
Бір элемент электронды донор және акцептор ретінде әрекет етіп, әртүрлі тотығу күйлеріне кіретін бірнеше жаңа қосылыстар түзгенде күрделі процесс орын алады. Мұндай процесс деп аталадыдисмутация немесе диспропорция. Бұған мысал келесі түрлендіру болып табылады:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
Тотығу-тотықсыздану реакциясының жоғарыдағы теңдеуінен хлор +5 тотығу күйінде болатын Бертоле тұзы екі компонентке - хлордың тотығу дәрежесі -1 және калий хлоридіне ыдырайтынын көруге болады. тотығу саны +7 перхлорат. Дәл сол элемент бір уақытта тотығу дәрежесін жоғарылатып, төмендететін болып шықты.
Дисмутация процесінің кері реакциясы копропорция немесе репропорция реакциясы болып табылады. Онда әртүрлі тотығу дәрежесінде бірдей элементі бар екі қосылыс бір-бірімен әрекеттесіп, бір тотығу саны бар жаңа зат түзеді:
SO2 +2H2S=3S + 2H2O.
Жоғарыдағы мысалдардан көріп отырғанымыздай, кейбір теңдеулерде заттың алдынан сандар қойылады. Олар процеске қатысатын молекулалардың санын көрсетеді және тотығу-тотықсыздану реакцияларының стехиометриялық коэффициенттері деп аталады. Теңдеу дұрыс болуы үшін оларды қалай орналастыру керектігін білу керек.
Е-баланс әдісі
Тотығу-тотықсыздану реакцияларындағы тепе-теңдік әрқашан сақталады. Бұл тотықсыздандырғыш тотықсыздандырғыш берген электрондардың дәл сонша мөлшерін қабылдайтынын білдіреді. Тотығу-тотықсыздану реакциясының теңдеуін дұрыс құру үшін мына алгоритмді орындау керек:
- Элементтердің реакцияға дейінгі және кейінгі тотығу дәрежелерін анықтаңыз. Мысалы, всу қатысында азот қышқылы мен фосфор арасындағы реакция нәтижесінде фосфор қышқылы мен азот оксиді түзіледі: HNO3 + P + H2O=H3PO4 + ЖОҚ. Барлық қосылыстардағы сутегінің тотығу дәрежесі +1, ал оттегінің -2. Азот үшін реакция басталғанға дейін тотығу саны +5, ал ол жүріп өткеннен кейін +2, фосфор үшін сәйкесінше 0 және +5 болады.
- Тотығу саны өзгерген элементтерді белгілеңіз (азот және фосфор).
- Электрондық теңдеулерді құрастыр: N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- Қабылданған электрондар санын ең кіші ортақ еселікті таңдау және көбейткішті есептеу арқылы теңестіріңіз (3 және 5 сандары сәйкесінше 15 саны үшін бөлгіштер, азот үшін көбейткіш 5, ал фосфор үшін 3): 5N +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- Алынған жартылай реакцияларды сол және оң жақ бөліктерге сәйкес қосыңыз: 5N+5 + 3P0=5N + 2 - 15-ші=3Р+5. Осы кезеңде бәрі дұрыс орындалса, электрондар кішірейеді.
- Тотығу-тотықсыздану реакциясының электронды балансына сәйкес коэффициенттерді қойып, теңдеуді толығымен қайта жазыңыз: 5HNO3 + 3P + H2 O=3H 3PO4 + 5NO.
- Реакцияға дейін және одан кейінгі элементтер санының барлық жерде бірдей болып қала беретінін тексеріңіз, қажет болса, басқа заттардың алдына коэффициенттерді қосыңыз (бұл мысалда сутегі мен оттегінің мөлшері теңестірілмеген. реакция теңдеуі дұрыс көрінуі үшін алдына коэффициентті қосу керексу): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5NO.
Осындай қарапайым әдіс коэффициенттерді дұрыс орналастыруға және шатастырмауға мүмкіндік береді.
Реакция мысалдары
Тотығу-тотықсыздану реакциясының көрнекі мысалы ретінде марганецтің концентрлі күкірт қышқылымен әрекеттесуін келтіруге болады:
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
Тотығу-тотықсыздану реакциясы марганец пен күкірттің тотығу дәрежелерінің өзгеруімен жүреді. Процесс басталғанға дейін марганец байланыспаған күйде болды және нөлдік тотығу дәрежесіне ие болды. Бірақ қышқылдың құрамына кіретін күкіртпен әрекеттескенде ол тотығу дәрежесін +2-ге дейін арттырды, осылайша электронды донор ретінде әрекет етеді. Күкірт, керісінше, тотығу дәрежесін +6-дан +4-ке дейін төмендететін акцептор рөлін атқарды.
Алайда марганец электрон акцепторы қызметін атқаратын реакциялар да бар. Мысалы, бұл реакцияға сәйкес жүретін оның оксидінің тұз қышқылымен әрекеттесуі:
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
Бұл жағдайда тотығу-тотықсыздану реакциясы марганецтің тотығу дәрежесінің +4-тен +2-ге дейін төмендеуімен және хлордың тотығу дәрежесінің -1-ден 0-ге дейін жоғарылауымен жүреді.
Бұрын 75% күкірт қышқылын түзетін су қатысында күкірт оксидінің азот оксидімен тотығуының практикалық маңызы зор болды:
SO2 + ЖОҚ2 + H2O=ЖОҚ + H2So4.
Тотығу-тотықсыздану реакциясы бұрын арнайы мұнараларда жүргізіліп, соңғы өнім мұнара деп аталды. Қазір бұл әдіс қышқыл өндірісіндегі жалғыз әдіс емес, өйткені басқа заманауи әдістер бар, мысалы, қатты катализаторлар арқылы байланыс. Бірақ қышқылды тотығу-тотықсыздану реакциясы әдісімен алу тек өндірістік ғана емес, сонымен қатар тарихи маңызға ие, өйткені дәл осындай процесс 1952 жылы желтоқсанда Лондон ауасында өздігінен орын алған.
Содан кейін антициклон әдеттен тыс суық ауа райын әкеліп, қала тұрғындары үйлерін жылыту үшін көмірді көп пайдалана бастады. Бұл ресурс соғыстан кейін сапасыз болғандықтан, ауада көп мөлшерде күкірт диоксиді шоғырланып, атмосферадағы ылғалмен және азот оксидімен әрекеттесті. Осы құбылыстың салдарынан сәбилердің, қарттардың және тыныс алу органдарының ауруларымен ауыратындардың өлімі артты. Оқиғаға Ұлы түтін атауы берілді.
Осылайша, тотығу-тотықсыздану реакцияларының практикалық маңызы зор. Олардың механизмін түсіну табиғи процестерді жақсы түсінуге және зертханада жаңа заттарға қол жеткізуге мүмкіндік береді.
