Kubadilika kwa dutu moja hadi nyingine kwa kutengeneza misombo mipya inaitwa mmenyuko wa kemikali. Kuelewa mchakato huu ni muhimu sana kwa maisha ya watu, kwa sababu kwa msaada wake unaweza kupata kiasi kikubwa cha vitu muhimu na muhimu ambavyo hupatikana katika asili kwa kiasi kidogo au haipo kabisa katika fomu yao ya asili. Miongoni mwa aina muhimu zaidi ni athari za redox (kifupi OVR au redox). Zina sifa ya mabadiliko katika hali ya oksidi ya atomi au ioni.
Michakato inayofanyika wakati wa majibu
Wakati wa mmenyuko, michakato miwili hufanyika - uoksidishaji na kupunguza. Wa kwanza wao ni sifa ya mchango wa elektroni kwa kupunguza mawakala (wafadhili) na ongezeko la hali yao ya oxidation, pili kwa kuongeza elektroni na mawakala wa oxidizing (wapokeaji) na kupungua kwa hali yao ya oxidation. Wakala wa kawaida wa kupunguza ni metali na misombo isiyo ya chuma katika hali ya chini ya oxidation (sulfidi hidrojeni, amonia). kawaidamawakala wa oksidi ni halojeni, nitrojeni, oksijeni, pamoja na vitu vilivyo na kipengele katika hali ya juu ya oxidation (asidi ya nitriki au sulfuriki). Atomu, ayoni, molekuli zinaweza kutoa au kupata elektroni.
Kabla ya 1777, ilidhaniwa kuwa uoksidishaji ulisababisha upotevu wa dutu inayoweza kuwaka iitwayo phlogiston. Hata hivyo, nadharia ya mwako iliyoundwa na A. Lavoisier iliwashawishi wanasayansi kwamba oxidation hutokea wakati wa kuingiliana na oksijeni, na kupunguza hutokea chini ya hatua ya hidrojeni. Baada ya muda fulani ikawa wazi kuwa si hidrojeni na oksijeni pekee zinazoweza kuathiri athari za redoksi.
Oxidation
Mchakato wa uoksidishaji unaweza kutokea katika awamu ya kioevu na gesi, na vile vile kwenye uso wa vitu vikali. Jukumu maalum linachezwa na oxidation ya electrochemical inayotokea katika ufumbuzi au kuyeyuka kwenye anode (electrode iliyounganishwa na pole chanya ya chanzo cha nguvu). Kwa mfano, floridi zinapoyeyushwa kwa elektrolisisi (mtengano wa dutu katika vipengele vyake vilivyojumuishwa kwenye elektrodi), wakala wa vioksidishaji wa isokaboni, florini, hupatikana.
Mfano mwingine wa kawaida wa uoksidishaji ni mwako katika hewa na oksijeni safi. Dutu mbalimbali zina uwezo wa mchakato huu: metali na zisizo za metali, misombo ya kikaboni na isokaboni. Umuhimu wa kiutendaji ni uchomaji wa mafuta, ambayo hasa ni mchanganyiko changamano wa hidrokaboni yenye kiasi kidogo cha oksijeni, salfa, naitrojeni na vipengele vingine.
Kioksidishaji cha asili -oksijeni
Kitu rahisi au kiwanja cha kemikali ambamo atomi huambatanisha elektroni huitwa kioksidishaji. Mfano wa kawaida wa dutu kama hiyo ni oksijeni, ambayo hubadilika kuwa oksidi baada ya majibu. Lakini pia wakala wa oxidizing katika athari za redox ni ozoni, ambayo hupunguzwa kwa vitu vya kikaboni (kwa mfano, ketoni na aldehydes), peroxides, hypochlorites, klorati, asidi ya nitriki na sulfuriki, oksidi ya manganese na permanganate. Ni rahisi kuona kwamba vitu hivi vyote vina oksijeni.
Vioksidishaji vingine vya kawaida
Hata hivyo, mmenyuko wa redoksi si mchakato unaohusisha oksijeni pekee. Badala yake, halojeni, kromiamu, na hata kani za chuma na ioni ya hidrojeni (ikiwa itageuka kuwa dutu rahisi kutokana na mmenyuko) zinaweza kufanya kama wakala wa kuongeza oksidi.
Ni elektroni ngapi zitakubaliwa inategemea kwa kiasi kikubwa ukolezi wa wakala wa vioksidishaji, na pia juu ya shughuli ya chuma inayoingiliana nayo. Kwa mfano, katika mmenyuko wa asidi ya nitriki iliyokolea na chuma (zinki), elektroni 3 zinaweza kukubalika, na katika mwingiliano wa vitu sawa, mradi asidi iko katika hali ya kuondokana sana, tayari elektroni 8.
Vioksidishaji vikali zaidi
Ajenti zote za vioksidishaji hutofautiana katika uthabiti wa sifa zao. Kwa hivyo, ioni ya hidrojeni ina uwezo mdogo wa kuongeza vioksidishaji, wakati klorini ya atomiki, iliyoundwa katika aqua regia (mchanganyiko wa asidi ya nitriki na hidrokloriki katika uwiano wa 1: 3), inaweza kuongeza oksidi hata dhahabu na platinamu.
Asidi ya seleniki iliyokolea ina sifa zinazofanana. Hii inafanya kuwa ya kipekee kati ya asidi zingine za kikaboni. Inapochemshwa, haiwezi kuingiliana na dhahabu, lakini bado ina nguvu zaidi kuliko asidi ya sulfuriki, na inaweza hata kuongeza oksidi ya asidi nyingine, kama vile asidi hidrokloriki.
Mfano mwingine wa vioksidishaji vikali ni pamanganeti ya potasiamu. Inaingiliana kwa ufanisi na misombo ya kikaboni na inaweza kuvunja vifungo vya kaboni kali. Oksidi ya shaba, ozonidi ya cesium, superoxide ya cesium, pamoja na xenon difluoride, tetrafluoride na xenon hexafluoride pia zina shughuli nyingi. Uwezo wao wa kuongeza vioksidishaji unatokana na uwezo wa juu wa elektrodi inapoitikia katika myeyusho wa maji ulio na maji.
Hata hivyo, kuna vitu ambavyo uwezo huu ni wa juu zaidi. Miongoni mwa molekuli za isokaboni, fluorine ni wakala wa oksidi kali zaidi, lakini haiwezi kutenda kwenye xenon ya gesi isiyo na joto bila joto la ziada na shinikizo. Lakini hii inashughulikiwa kwa mafanikio na hexafluoride ya platinamu, difluorodioxide, difluoride ya kryptoni, difluoride ya fedha, chumvi za fedha za divalent na vitu vingine. Kwa uwezo wao wa kipekee wa kuathiri upya, zimeainishwa kama vioksidishaji vikali sana.
Ahueni
Hapo awali, neno "ahueni" lilikuwa sawa na uondoaji oksijeni, yaani, kunyimwa kwa dutu ya oksijeni. Walakini, baada ya muda, neno lilipata maana mpya, lilimaanisha uchimbaji wa metali kutoka kwa misombo iliyomo, na vile vile mabadiliko yoyote ya kemikali ambayosehemu ya kielektroniki ya dutu hii inabadilishwa na kipengele kilichojazwa chaji chanya, kama vile hidrojeni.
Utata wa mchakato unategemea kwa kiasi kikubwa uwiano wa kemikali wa vipengele katika kiwanja. Kadiri inavyokuwa dhaifu, ndivyo majibu yanafanywa rahisi zaidi. Kwa kawaida, mshikamano ni dhaifu katika misombo ya endothermic (joto huingizwa wakati wa malezi yao). Kupona kwao ni rahisi sana. Mfano mzuri wa hii ni vilipuzi.
Ili kupata athari inayohusisha misombo ya hewa joto (iliyoundwa na kutolewa kwa joto), chanzo kikali cha nishati, kama vile mkondo wa umeme, lazima kitumike.
Wakala wa kawaida wa kupunguza
Kipunguzi cha zamani na cha kawaida ni makaa ya mawe. Inachanganya na oksidi za ore, inapokanzwa, oksijeni hutolewa kutoka kwa mchanganyiko, ambayo inachanganya na kaboni. Matokeo yake ni poda, chembechembe au aloi ya chuma.
Wakala mwingine wa kawaida wa kupunguza ni hidrojeni. Inaweza pia kutumika kuchimba madini. Kwa kufanya hivyo, oksidi zimefungwa ndani ya bomba ambalo mkondo wa hidrojeni hupitishwa. Kimsingi, njia hii hutumiwa kwa shaba, risasi, bati, nickel au cob alt. Unaweza kuitumia kwa chuma, lakini kupunguzwa hakutakuwa kamili na maji hutengenezwa. Tatizo sawa linazingatiwa wakati wa kujaribu kutibu oksidi za zinki na hidrojeni, na inazidishwa zaidi na tete ya chuma. Potasiamu na baadhi ya vipengele vingine havipunguzwi na hidrojeni hata kidogo.
Vipengele vya athari katika kemia-hai
Inaendeleachembe ya kupunguza inakubali elektroni na hivyo kupunguza idadi ya oxidation ya moja ya atomi zake. Walakini, ni rahisi kuamua kiini cha mmenyuko kwa kubadilisha hali ya oxidation na ushiriki wa misombo ya isokaboni, wakati katika kemia ya kikaboni ni ngumu kuhesabu nambari ya oksidi, mara nyingi ina thamani ya sehemu.
Ili kuabiri miitikio ya redoksi inayohusisha dutu-hai, unahitaji kukumbuka sheria ifuatayo: kupunguza hutokea wakati kiwanja kinatoa atomi za oksijeni na kupata atomi za hidrojeni, na kinyume chake, uoksidishaji una sifa ya kuongezwa kwa oksijeni.
Mchakato wa kupunguza ni wa umuhimu mkubwa wa kiutendaji kwa kemia-hai. Ni yeye anayesimamia utiaji hidrojeni wa kichocheo unaotumika kwa ajili ya maabara au viwanda, hasa, utakaso wa dutu na mifumo kutoka kwa uchafu wa hidrokaboni na oksijeni.
Mwitikio unaweza kuendelea katika halijoto ya chini na migandamizo (hadi nyuzi joto 100 na angahewa 1-4, mtawalia), na kwa halijoto ya juu (hadi digrii 400 na angahewa mia kadhaa). Uzalishaji wa vitu vya kikaboni unahitaji zana changamano ili kutoa hali zinazofaa.
Madini ya kundi la platinamu inayotumika au nikeli isiyo ya thamani, shaba, molybdenum na kob alti hutumika kama vichocheo. Chaguo la mwisho ni la kiuchumi zaidi. Urejeshaji hutokea kwa sababu ya unyunyizaji kwa wakati mmoja wa substrate na hidrojeni kwa kuwezesha mmenyuko kati yao.
Maoni ya kupunguza yanaendeleana ndani ya mwili wa mwanadamu. Katika baadhi ya matukio, wanaweza kuwa na manufaa na hata muhimu, kwa wengine wanaweza kusababisha matokeo mabaya mabaya. Kwa mfano, misombo iliyo na nitrojeni katika mwili hubadilishwa kuwa amini ya msingi, ambayo, kati ya kazi nyingine muhimu, hujumuisha vitu vya protini ambavyo ni nyenzo za ujenzi wa tishu. Wakati huo huo, vyakula vilivyotiwa rangi ya anilini hutoa misombo yenye sumu.
Aina za maoni
Ni aina gani ya miitikio ya redoksi, inakuwa wazi ukiangalia kuwepo kwa mabadiliko katika hali ya oksidi. Lakini ndani ya aina hii ya mabadiliko ya kemikali, kuna tofauti.
Kwa hivyo, ikiwa molekuli za dutu tofauti zitashiriki katika mwingiliano, mojawapo ikiwa ni pamoja na atomi ya kuongeza vioksidishaji, na nyingine kikali ya kinakisishaji, majibu huchukuliwa kuwa kati ya molekuli. Katika hali hii, mlinganyo wa majibu ya redoksi unaweza kuwa kama ifuatavyo:
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
Mlinganyo unaonyesha kuwa hali ya oxidation ya chuma na hidrojeni hubadilika, ilhali ni sehemu ya dutu tofauti.
Lakini pia kuna athari za intramolecular redox, ambapo atomi moja katika kiwanja cha kemikali huoksidishwa na nyingine hupunguzwa, na dutu mpya hupatikana:
2H2O=2H2 + O2.
Mchakato changamano zaidi hutokea wakati kipengele sawa hufanya kazi kama mtoaji na kipokeaji elektroni na kuunda misombo mipya kadhaa, ambayo hujumuishwa katika hali tofauti za oksidi. Utaratibu kama huo unaitwakutengana au kutokuwa na uwiano. Mfano wa haya ni mabadiliko yafuatayo:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
Kutokana na mlingano wa hapo juu wa mmenyuko wa redoksi, inaweza kuonekana kuwa chumvi ya Bertolet, ambayo klorini iko katika hali ya oxidation ya +5, hutengana na kuwa vipengele viwili - kloridi ya potasiamu pamoja na hali ya oxidation ya klorini -1 na perchlorate yenye nambari ya oksidi ya +7. Ilibainika kuwa kipengele sawa kiliongezeka kwa wakati mmoja na kupunguza hali yake ya oksidi.
Kinyume cha mchakato wa ubadilishaji ni athari ya uwiano au uwiano. Ndani yake, misombo miwili, ambayo ina kipengele sawa katika hali tofauti za oxidation, huguswa na kila mmoja kuunda dutu mpya yenye nambari moja ya oxidation:
SO2 +2H2S=3S + 2H2O.
Kama unavyoona kutoka kwa mifano iliyo hapo juu, katika baadhi ya milinganyo, dutu hii hutanguliwa na nambari. Zinaonyesha idadi ya molekuli zinazohusika katika mchakato na huitwa mgawo wa stoichiometric wa athari za redox. Ili equation iwe sahihi, unahitaji kujua jinsi ya kuzipanga.
Mbinu ya salio la E
Salio katika athari za redox huhifadhiwa kila wakati. Hii ina maana kwamba wakala wa vioksidishaji hukubali elektroni nyingi sawa na zile zilitolewa na wakala wa kupunguza. Ili kutunga mlinganyo kwa usahihi wa majibu ya redox, unahitaji kufuata kanuni hii:
- Amua hali ya oksidi ya vipengele kabla na baada ya mmenyuko. Kwa mfano, katikammenyuko kati ya asidi ya nitriki na fosforasi katika uwepo wa maji hutoa asidi ya fosforasi na oksidi ya nitriki: HNO3 + P + H2O=H3PO4 + NO. Hydrojeni katika misombo yote ina hali ya oxidation ya +1, na oksijeni ina -2. Kwa nitrojeni, kabla ya majibu kuanza, nambari ya oksidi ni +5, na baada ya kuendelea +2, kwa fosforasi - 0 na +5, kwa mtiririko huo.
- Weka alama kwenye vipengele ambavyo nambari ya oksidi imebadilika (nitrojeni na fosforasi).
- Tunga milinganyo ya kielektroniki: N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- Sawazisha idadi ya elektroni zilizopokewa kwa kuchagua kizidishio kisicho cha kawaida na kukokotoa kizidishi (nambari 3 na 5 ni vigawanyiko vya nambari 15, mtawalia, kizidishio cha nitrojeni ni 5, na kwa fosforasi 3): 5N +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- Ongeza miitikio nusu inayotokana kulingana na sehemu za kushoto na kulia: 5N+5 + 3P0=5N + 2 - 15=3Р+5. Ikiwa kila kitu kitafanywa kwa usahihi katika hatua hii, elektroni zitapungua.
- Andika mlingano upya kabisa, ukiweka chini vigawo kulingana na salio la kielektroniki la mmenyuko wa redoksi: 5HNO3 + 3P + H2 O=3H 3PO4 + 5NO.
- Angalia ikiwa idadi ya vipengee kabla na baada ya mmenyuko husalia sawa kila mahali, na ikihitajika, ongeza mgawo mbele ya vitu vingine (katika mfano huu, kiasi cha hidrojeni na oksijeni hakikusawazisha, ili equation majibu kuangalia sahihi, unahitaji kuongeza mgawo mbele yamaji): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5NO.
Njia rahisi kama hii hukuruhusu kuweka vihesabu kwa njia ipasavyo na kuepuka mkanganyiko.
Mifano ya maoni
Mfano wa kielelezo wa mmenyuko wa redoksi ni mwingiliano wa manganese na asidi ya sulfuriki iliyokolea, unaoendelea kama ifuatavyo:
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
Mitikio ya redoksi inaendelea na mabadiliko katika hali ya oksidi ya manganese na sulfuri. Kabla ya kuanza kwa mchakato, manganese ilikuwa katika hali isiyofungwa na ilikuwa na hali ya sifuri ya oxidation. Lakini wakati wa kuingiliana na salfa, ambayo ni sehemu ya asidi, iliongeza hali ya oxidation hadi +2, hivyo kufanya kama mtoaji wa elektroni. Sulfuri, kinyume chake, ilicheza nafasi ya kipokeaji, kupunguza hali ya oxidation kutoka +6 hadi +4.
Hata hivyo, pia kuna athari ambapo manganese hufanya kama kipokezi cha elektroni. Kwa mfano, huu ni mwingiliano wa oksidi yake na asidi hidrokloriki, unaendelea kulingana na majibu:
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
Mtikio wa redoksi katika kesi hii huendelea kwa kupungua kwa hali ya oxidation ya manganese kutoka +4 hadi +2 na kuongezeka kwa hali ya oxidation ya klorini kutoka -1 hadi 0.
Hapo awali, uoksidishaji wa oksidi ya sulfuri na oksidi ya nitrojeni mbele ya maji, ambayo ilitoa 75% ya asidi ya sulfuriki, ilikuwa na umuhimu mkubwa wa vitendo:
SO2 + NO2 + H2O=NO + H2So4.
Mitikio ya redox ilikuwa ikifanywa katika minara maalum, na bidhaa ya mwisho iliitwa mnara. Sasa njia hii ni mbali na pekee katika uzalishaji wa asidi, kwa kuwa kuna njia nyingine za kisasa, kwa mfano, kuwasiliana kwa kutumia vichocheo imara. Lakini kupata asidi kwa njia ya mmenyuko wa redoksi haina maana ya viwanda tu, bali pia umuhimu wa kihistoria, kwani ilikuwa ni mchakato kama huo ambao ulifanyika kwa hiari katika anga ya London mnamo Desemba 1952.
Kinga kimbunga kilileta hali ya hewa ya baridi isivyo kawaida, na wenyeji wakaanza kutumia makaa mengi kupasha nyumba zao. Kwa kuwa rasilimali hii ilikuwa ya ubora duni baada ya vita, kiasi kikubwa cha dioksidi ya sulfuri ilijilimbikizia hewa, ambayo ilijibu kwa unyevu na oksidi ya nitrojeni katika anga. Kutokana na jambo hili, vifo vya watoto wachanga, wazee na wale wanaosumbuliwa na magonjwa ya kupumua vimeongezeka. Tukio hilo lilipewa jina la The Great Smog.
Kwa hivyo, miitikio ya redox ni ya umuhimu mkubwa wa vitendo. Kuelewa utaratibu wao hukuruhusu kuelewa vyema michakato asilia na kupata dutu mpya kwenye maabara.
