Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Навчальний посібник Київ-2005 Передмова

Навчальний посібник Київ-2005 Передмова




Сторінка1/6
Дата конвертації28.04.2017
Розмір1.28 Mb.
ТипНавчальний посібник
  1   2   3   4   5   6

Національний авіаційний університет
Інститут транспортних технологій
Кафедра хімії і хімічної технології

С.В. Іванов, І.І. Войтко, Н.В. Столярова

Окисно-відновні реакції у неорганічній,

аналітичній та органічній хімії, природі,

авіаційній і космічній техніці

Навчальний посібник

Київ-2005

Передмова
Серед хімічних перетворень найважливішу роль відіграють окисно-відновні процеси, які причиною ряду природних явищ: горіння, гниття, бродіння, перерозподілу енергії у природі, процесів обміну речовин у живих організмах.

Хімі́чна реа́кція - це перетворення речовин, при якому молекули одних речовин руйнуються і на їхньому місці утворюються молекули інших речовин з іншим атомним складом. Усі хімічні реакції зображують хімічними рівняннями.

Природне явище - сукупність процесів матеріально-інформаційного перетворення у природі, обумовлених загальними причинами.

Органі́чна хі́мія - один з найважливіших розділів хімії, який вивчає структуру та властивості органічних сполук. Органічними називають сполуки вуглецю з іншими елементами. Здатність вуглецю з'єднуватися з більшістю елементів і утворювати молекули різного складу і будови обумовлює різноманіття органічних сполук (до кінця XX століття їх число перевищило 10 млн, зараз понад 20 млн).

Людиною широко використовуються штучні окисно-відновні реакції – в енергетиці. Металургії,хімічній індустрії, біології, медицині, сільському господарстві, екології та в багатьох інших галузях. Що особливо важливо для студентів НАУ, так це те, що окисно-відновні процеси широко представлені в різноманітних транспортних засобах, починаючи від перших парових двигунів, моторів внутрішнього згорання та дизелів до сучасних реактивних і ракетних двигунів, а також рушіїв на базі електрохімічних генераторів енергії, таких як акумулятори і паливні елементи.

О́кисно-відно́вна реа́кція (заст. оки́снювально-відно́вна реа́кція) - хімічна реакція, яка відбувається із зміною ступеня окиснення атомів, що входять до складу реагентів, і реалізується перерозподілом електронів між атомом-окисником та атомом-відновником.

Парова́ маши́на - тепловий поршневий двигун зовнішнього згоряння, в якому потенціальна енергія водяної пари, котра надходить під тиском з парового котла, перетворюється в механічну роботу при зворотно-поступальному русі поршня, який через механічні ланки надає обертального руху вихідному валу.

Сільське́ господа́рство (с.-г.) - галузь народного господарства, направлена на забезпечення населення продовольством і отримання сировини для цілого ряду галузей промисловості. Галузь є однією з найважливіших, представлена практично у всіх країнах.

Тра́нспорт (від лат. trans - portare) - сукупність засобів, призначених для переміщення людей, вантажів, сигналів та інформації з одного місця в інше.

Проте часто у студентів виникають певні труднощі в розумінні суті окисно-відновних перетворень, передбаченні напрямку їх перебігу і визначенні продуктів реакції, а також підборі коефіцієнтів відповідних рівнянь. Для студентів спеціальностей, які вивчають аналкі вивчають аналзділи, пов’язані з використанням окисно-відновних реакцій в аналізі, наприклад, редоксиметрів, є найскладнішими для сприйняття. Досить специфічними і непростими для них є, а тому потребують окремого розгляду редоксперетворення, які відбуваються з речовинами органічної природи.

Метою даного посібника є суттєво зменшити вказані труднощі при вивченні курсів загальної, неорганічної, аналітичної та органічної хімії. Студентам усіх спеціальностей університету корисно буде розширити свої уявлення про ту важливу роль, яку виконують окисно-відновні процеси в авіаційній та космічній техніці. У посібнику цим питанням присвячено окремий розділ.

Зважаючи на дуже широке коло питань, які пов’язані з окисно-відновними реакціями, а також з обмеженим об’ємом посібника, автори свідомо не включили до нього розділи, що стосуються електрохімічних редокс перетворень, а саме електрохімічні джерела струму, електроліз, корозія металів. Ці розділи можуть у майбутньому стати предметом розгляду іншого посібника. На погляд авторів такий підхід до складання даного навчального посібника, коли в його рамках розглядається матеріал з різних галузей хімії, хімічної технології і техніки, є корисним і тому, що дозволить студентам, окрім усього іншого, переконатись у єдності хімічної науки і умовності поділу її на різні частини.

Навчальний посібник - видання, яке частково доповнює або замінює підручник у викладі навчального матеріалу з певного предмета, курсу, дисципліни або окремого його розділу, офіційно затверджений як такий.

Коро́зія мета́лів - процес автоматично-хімічного руйнування металів і сплавів при їх взаємодії з зовнішнім середовищем: повітрям, водою, розчинами електролітів тощо. До основних видів корозії за її механізмом відносять хімічну, електрохімічну, а також біологічну.

Хімі́чна техноло́гія (рос. химическая технология, англ. chemical engineering, нім. chemische Technologie f) - прикладна наука, що вивчає способи та процеси виробництва продуктів (предметів споживання та засобів виробництва), що відбуваються за участю хімічних перетворень технічно, економічно та соціально доцільним шляхом.

Хі́мія - одна з наук про природу, яка вивчає молекулярно-атомні перетворення речовин, тобто, при яких молекули одних речовин руйнуються, а на їх місці утворюються молекули інших речовин з новими властивостями.

Така побудова посібника відповідає сучасним методичним вимогам по розробці і впровадженню в учбовий процес інтегрованих міждисциплінарних видів робіт.



1. Найважливіші характеристики атомів елементів: потенціал іонізації, енергія спорідненості до електрона, електронегативність, ефективний заряд, ступінь окислення, валентність
Окиснення-відновлення можна розглядати іноді як процес перенесення електронів від одного атома до іншого, частіше ж як процес перерозподілу електронної густини між ними.

Електро́нна густина́ (рос. электpонная плотность, англ. electron density) - величина, що визначається квадратом модуля хвильової функції в даній точці (імовірність знаходження тут електрона) помноженому на заряд електрона.

Сту́пінь оки́снення - умовний електростатичний заряд, який приписують атому в молекулі, припускаючи, що електронні пари, які здійснюють зв'язок, повністю зміщені в бік більш електронегативних атомів (тобто припускаючи, що всі зв'язки даного атома мають 100 % йонний характер).

Іоніза́ція (йонізація) - утворення електрично заряджених частинок - вільних електронів та іонів з електрично нейтральних частинок середовища. Може здійснюватися шляхом відриву від атому, що входить до складу молекулярної частинки, одного або декількох електронів з утворенням іона або за рахунок переходу електрона (електронів) від однієї частинки до іншої з набуттям ними зарядів.

Так чи інакше окиснення-відновлення має електронну природу. Саме тому доцільно насамперед розглянути ті характеристики атомів елементів, які є похідними від їх електронної будови.

Кожний хімічний елемент характеризують такі фізичні величини, як потенціал іонізації та енергія спорідненості до електрона.

Фізи́чна величи́на - властивість, спільна в якісному відношенні для багатьох фізичних об'єктів (фізичних систем, їхніх станів і процесів, що в них відбуваються) та індивідуальна в кількісному відношенні для кожного з них.

Енéргія іонізáціі - найменша енергія потрібна для того, щоб вирвати електрон із фізичної системи й віднести його на нескінченну віддаль.

Хімі́чний елеме́нт (заст. первень) - тип атомів з однаковим зарядом атомних ядер (тобто однаковою кількістю протонів в ядрі атому) і певною сукупністю властивостей. Маса ядра атома хімічного елементу може бути різною, в залежності від кількості нейтронів у ньому.

Потенціал іонізації – це найменша напруга електричного поля, при якій атоми відщеплюють електрони і перетворюються у позитивно заряджені іони. Часто використовують поняття енергії іонізації, під яким розуміють роботу, здійснену для відривання першого, другого, третього і т.д. електронів від спочатку нейтрального, а потім зарядженого атома (І1, І2, І3 і т.д.). Енергія іонізації виражається в еВ/атом або кДж/моль. Для атомів, наприклад, алюмінію, процес іонізації буде виглядати так:



І = І1 І2 І3, І1 < І2 < І3

Остання нерівність пояснюється тим, що відірвати другий і третій (в інших випадках і кожний наступний) електрони стає все важче і важче у зв’язку із зростанням додатного заряду іона. Метали мають малі значення іонізаційних потенціалів, неметали – значні. Максимуму вони досягають у галогенів і благородних газів. У головних підгрупах періодичної системи іонізаційні потенціали зменшуються зверху вниз.

Бла́горо́дні га́зи (також іне́ртні або рі́дкісні гази) (англ. noble gases; нім. іnertgase) - хімічні елементи VIII групи головної підгрупи періодичної системи елементів, або за новою номенклатурою IUPAC групи 18 періодичної таблиці, які мають схожі властивості та за нормальних умов є одноатомними газами без кольору, запаху та смаку з дуже низькою хімічною реактивністю, котра зумовлена наявністю у атомів стійкої зовнішньої електронної оболонки, де у He знаходиться 2 електрони та у решти інертних газів по 8. До благородних газів відносяться гелій (Не), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Хе) та радіоактивний радон (Rn). Останнім часом до цієї групи також зараховують унуноктій.

Періоди́чна систе́ма елеме́нтів - класифікація хімічних елементів, розроблена на основі періодичного закону.

Атоми багатьох елементів неметалів і металоїдів здатні самодовільно приєднувати електрони. Енергія, яка вивільняється при цьому, називається енергією спорідненості до електрона і виражається в тих же одиницях, що й енергія іонізації: еВ/атом або кДж/моль. Приклади таких процесів наведені нижче:



; ; ,

де Е1, Е2, Е3 - енергії спорідненості до електрона, що вивільняються при утворенні відповідних аніонів. Зрозуміло, що енергії спорідненості до електрона у неметалів значно більші, ніж у металів.

Потенціал (енергія) іонізації та енергія спорідненості до електрона визначають, відповідно, відновну та окисну здатність атомів елементів. Ясно, що атоми металів, які мають низькі значення І і Е, є відновниками, а атоми неметалів, у яких ці значення високі – окисниками.

Інтегральним показником, що вказує на здатність атома набувати у молекулі або кристалі сполуки певного заряду, є електронегативність. За Р.С.Маллікеном мірою електронегативності (Х) будь-якого елемента є півсума першого потенціалу іонізації (І1) та його енергії спорідненості до електрона (Е):



Проте користуватись абсолютними значеннями електронегативностей незручно. Тому Л.Полінг запропонував шкалу відносних значень електронегативностей, прийнявши електронегативність літію за одиницю. Ці величини для деяких елементів наведені у табл.1

Таблиця 1
Електронегативності деяких елементів за Л.Полінгом



H




2,1

Li

Be

B

C

N

O

F

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,1

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,5

3,0

K

Ca




Ge

As

Se

Br

0,8

1,0




1,8

2,0

2,4

2,8

Rb

Sr




Sn

Sb

Te

I

0,8

1,0




1,7

1,8

2,1

2,5

Cs

Ba




0,7

0,9

Завдяки різній електронегативності атоми чи іони елементів у молекулах або кристалах внаслідок електронної взаємодії з атомами чи іонами інших елементів набувають певного негативного або позитивного заряду. Такий реальний заряд атомів елементів у хімічних сполуках називають ефективним зарядом. Так, наприклад, у молекулі хлороводню ефективні заряди атомів водню і хлору становлять відповідно 0,17 і -0,17, у воді – водню і кисню відповідно 0,33 і -0,66.

А́том во́дню (Гідроген) - найпростіший із атомів хімічних елементів.

Може здаватись, що у сполуках з іонним зв’язком, наприклад, NaCl заряди іонів складають 1 і -1. Насправді, як встановлено сучасними методами дослідження, ефективні заряди складають на натрії 0,85 і на хлорі -0,85, тобто на 15% зв’язки є ковалентними.

В деяких випадках, зокрема при складанні рівнянь окисно-відновних реакцій зручніше користуватись не ефективним зарядом, а ступенем окислення елемента. Остання величина – це умовний заряд його атома у молекулі чи кристалі, якщо припустити. Що вони побудовані за допомогою чисто іонного зв’язку, тобто складаються тільки з елементарних катіонів та аніонів. Ступінь окислення познають арабською цифрою з відповідним знаком перед нею і розміщують над символом хімічного елементу.

І́ндо-ара́бська' або інді́йська систе́ма чи́слення' є позиційною десятковою системою числення розроблена у 1-4 століттях індійськими математиками. Цифри виникли в Індії і в 10-13 ст. були занесені в Європу арабами, через що часто згадуються як «ара́бські».

Ці величини досить просто обчислити, виходячи з електронейтральності хімічних сполук. Наприклад, ступінь окислення хрому у сполуці K2Cr2O7 обчислюється шляхом складання і розв’язання рівняння:

2 ( 1) 2х 7 (-2) = 0

2х = 14-2

х = 6


При цьому спираються на ступені окислення деяких елементів, у яких вони сталі: F-1, O-2 (окрім сполук з фтором і пероксосполук), лужні метали - 1, лужноземельні метали та магній - 2, Al 3 тощо.

Хімі́чна сполу́ка - речовина, молекули якої складаються з атомів двох або більше різних хімічних елементів, сполучених між собою тим чи іншим типом хімічного зв'язку. Сполука має певний хімічний склад і їй можна приписати точну хімічну формулу.

Лу́жноземе́льні мета́ли - елементи головної підгрупи другої групи періодичної системи. До них відносяться хімічні елементи: берилій, магній, кальцій, стронцій, барій та радій. За класифікацією IUPAC вони належать до групи 2 елементів.

Лу́жні мета́ли - елементи 1 групи періодичної системи за винятком водню. За старою класифікацією елементи головної підгрупи I групи. Назва пов'язана з тим, що при взаємодії лужних металів з водою утворюється їдкий луг.

Дані таблиці 2 показують різницю між ефективними зарядами та ступенями окислення елементів.

Таблиця 2
Ефективні заряди та ступені окислення

атомів деяких хімічних елементів у їх сполуках



Ефективні заряди

Ступені окислення























































Валентність це здатність атомів того чи іншого елемента утворювати певну кількість хімічних зв’язків. Як правило (окрім донорно-акцепторних зв’язків), валентність визначається кількістю неспарених електронів, які існують у певному стані збудження атомів елементу.

Покажемо на прикладах різницю між валентністю і ступенем окислення. Атоми кисню, маючи на зовнішньому електронному шарі два неспарених електрона завжди проявляють валентність 2, утворюючи між собою і з атомами інших елементів два зв’язки; значень же ступенів окислення декілька:

-2



Вуглець в органічних сполуках чотиривалентний, але ступені окислення його різні, приймаючи навіть дробові значення:



Ступені окислення елементів не характеризують, як ефективний заряд і валентність, справжнього стану їх атомів у молекулах і кристалах сполук.

Органі́чні сполу́ки - клас сполук, в склад яких входить хімічний елемент Карбон (за винятком карбідів, карбонатної кислоти, карбонатів, оксидів Карбону і ціанідів). Окрім Карбону, вони майже завжди містять Гідроген, досить часто - Оксиген, Нітроген та галогени, рідше Фосфор, Сульфур та інші елементи.

Однак це поняття широко використовують при вивченні окисно-відновних перетворень, а також у систематиці неорганічних сполук.

Неоргані́чні сполу́ки - хімічні сполуки, які не містять атомів Карбону, ковалентно пов'язаних із атомами Гідрогену. Прості карбоновмісні сполуки типу CO, CO2, HCN та ціаніди, карбіди розглядаються саме неорганічною хімією.


2. Класифікація хімічних реакцій за ознакою стабільності і зміни ступенів окислення атомів елементів
Як відомо, є декілька підходів до класифікації хімічних реакцій. Одним з найважливіших є поділ цих різноманітних реакцій, які відбуваються у живій і неживій природі, а також штучно проводяться людьми, на дві групи: реакції невалентних перетворень та окисно-відновні реакції. При перебігу перших атоми жодного з елементів не змінюють ступінь окислення. До них належать, насамперед, реакції подвійного обміну, заміщення, сполучення, розкладу, полімеризації, поліконденсації, ізомеризації, наприклад:

Окисно-відновні реакції завжди супроводжуються зміною ступенів окислення:

але не завжди зміною валентності, наприклад:

Отже, окисно-відновні реакції можна визначити як такі, що відбуваються зі зміною ступенів окислення елементів. Причиною останньої є перерозподіл електронної густини між атомами в ході хімічних реакцій.

  1   2   3   4   5   6



  • 1. Найважливіші характеристики атомів елементів: потенціал іонізації
  • Класифікація хімічних реакцій за ознакою стабільності і зміни ступенів окислення атомів елементів