Реферат : Окислительно-восстановительные и кислотно-основные свойства веществ

Многие вещества обладают особыми свойствами, которые в химии принято называть окислительными или восстановительными. Окислительно-восстановительные свойства вещества связаны с процессом отдачи и приема электронов атомами, ионами или молекулами. Окислитель — это вещество, которое в ходе реакции принимает электроны, т. е. восстанавливается; восстановитель — отдает электроны, т. е. окисляется. Рассмотрим такой пример; магний реагирует с кислородом, образуя оксид магния:

2Mg + O2 = 2MgO

В результате этой реакции металл магний (в целом электронейтральное вещество) переходит в частицы (ионы) с зарядом (степенью окисления) +2. Для всех металлов в соединениях характерна положительная степень окисления.

Кислород из электронейтрального вещества превращается в частицы с зарядом -2. Эти процессы можно записать в виде так называемых электронных уравнений:

Mg – 2e- = Mg2+

О + 2e -= O2-

Отсюда видно, что магний отдает электроны, следовательно, он является восстановителем, который окисляется, а кислород, принимающий электроны (т. е. восстанавливающийся), — окислителем.

Процессы окисления и восстановления сопутствуют друг другу, один без другого не может происходить. Поэтому процесс передачи электронов от одних веществ к другим, обычно называют окислительно-восстановительными реакциями. Эти реакции очень распространены в живой природе; они играют существенную роль в процессах, происходящих в аквариуме.

Одни химические вещества проявляют свойства окислителей, другие — восстановителей.

Важнейшими восстановителями являются:

[sms]

многие металлы (магний, алюминий, цинк, железо и др.);
аммиак NH3 и соли аммония (например, NH4Cl); — сероводород H2S и сульфиды (например, Na2S);
йодоводородная кислота HI, бромоводородная кислота HBr, соляная кислота HCl и их соли (например, KI, NaBr, CaCl2);
тиосульфат (гипосульфит) натрия Na2S2O3;
сульфит натрия Na2SO3; — пероксид водорода H2O2.
многие органические вещества: спирты, альдегиды, карбоновые кислоты, углеводороды и др.
Важнейшими окислителями являются:
азотная кислота HNO3 и нитраты (например, NaNO3);
концентрированная серная кислота H2SO4;
галогены: хлор Cl2, бром Br2, йод I2;
кислород O2;
перманганат калия KМnO4;
дихромат калия K2Cr2O7;
пероксид водорода H2O2.
Некоторые вещества, например, пероксид водорода H2O2, в зависимости от условий, могут проявлять свойства как окислителей, так и восстановителей.

Силу окислителей и восстановителей можно сравнить, используя значения электродных (или окислительно-восстановительных) потенциалов.

Значение потенциалов окислительно-восстановительных систем в стандартных условиях (температура 25° С, концентрация веществ 1 моль/л, нормальное атмосферное давление) приводится в химических справочниках.

Таблица 1.

Важнейшие восстановители и окислители

Восстановители

Окислители

Металлы,

водород,

уголь.

Окись углерода (II) (CO).

Сероводород (H2S);

оксид серы (IV) (SO2);

сернистая кислота H2SO3 и ее соли.

Галогеноводородные кислоты и их соли.

Катионы металлов в низших степенях окисления: SnCl2, FeCl2, MnSO4, Cr2(SO4)3.

Азотистая кислота HNO2;

аммиак NH3;

гидразин NH2NH2;

оксид азота(II) (NO).

Катод при электролизе.

Галогены.

Перманганат калия(KMnO4);

манганат калия (K2MnO4);

оксид марганца (IV) (MnO2).

Дихромат калия (K2Cr2O7);

хромат калия (K2CrO4).

Азотная кислота (HNO3).

Серная кислота (H2SO4) конц.

Оксид меди(II) (CuO);

оксид свинца(IV) (PbO2);

оксид серебра (Ag2O);

пероксид водорода (H2O2).

Хлорид железа(III) (FeCl3).

Бертоллетова соль (KClO3).

Анод при электролизе

Множество реакций органической химии может быть рассмотрено с позиций кислотно-основных взаимодействий. Такие вопросы, как трактовка механизмов реакций, кислотный и основной катализ, влияние различных факторов на ход процесса, в основном базируются на учете кислотно-основных взаимодействий.

Важной вехой в развитии взглядов на кислоты и основания явилось сформулированное А. Ганчем в 1917 – 1927 годах понятие об амфотерности — способности некоторых соединений проявлять как кислотные, так и основные свойства в зависимости от условий и природы реагентов, участвующих в кислотно-основном взаимодействии. И, как оказалось позже, таких соединений (проявляющих амфотерность) подавляющее большинство. В зависимости от природы партнера по взаимодействию явная кислота может выступать в роли основания, и наоборот.

Доминирующие в настоящее время протонная (И. Бренстед и Т. Лоури) и электронная (Г. Льюис) теории кислот и оснований были предложены одновременно в 1923 году.

По Бренстеду-Лоури, кислоты представляют собой вещества, способные отдавать протон, а основания — вещества, присоединяющие протон. Такой подход известен как бренстедовская кислотность и основность органических соединений или протонная теория кислот и оснований (протолитическая теория): кислота протон + основание.

Несмотря на относительный характер, деление веществ на кислоты и основания существует, и в основу такого деления положены кислотно-основные взаимодействия в воде. То есть вода принята за своеобразный стандарт для оценки кислотно-основных свойств веществ — стандарт нейтральной среды. Если в аналогичных условиях рассматриваемое вещество способно отдавать водород в виде протона легче, чем вода, то его следует отнести к группе кислот. Если вещество по способности присоединять (связывать) протон превосходит воду — это основание (основность выше, чем у воды). Отнесение веществ к кислотам или основаниям не мешает рассматривать их кислотно-основные свойства во всем диапазоне кислотно-основных взаимодействий, то есть кислоту в роли основания и наоборот.

Почему все-таки воде досталась роль своеобразного стандарта в делении веществ на кислоты и основания? Вода — одно из самых распространенных на Земле соединений. Ее кислотно-основные свойства определяют естественный фон (атмосфера, почва, моря и океаны). Вода хорошо растворяет многие полярные и диссоциирующие на ионы вещества. По физическим характеристикам вода хорошо сольватирует как недиссоциированные молекулы, так и свободные ионы. Кроме того, молекулы воды способны к автопротолизу — передаче протона между молекулами одного и того же вещества.

Кислотность соединений количественно оценивается долей ионизированной формы вещества в растворе (воде) или константой равновесия (К) реакции переноса протона от кислоты к воде как основанию. Так, для уксусной кислоты (вода взята в значительном избытке, и ее концентрация практически не меняется) константа кислотности Ка (где а — начальная буква от англ. acid — кислота). Для уксусной кислоты значение рКа = 4,75. Надо иметь в виду, что, чем меньше величина рКа , тем сильнее кислота.

При растворении в воде оснований вода выполняет роль кислоты. В результате переноса протона от воды к основанию образуются сопряженная кислота HB+ и сопряженное основание OH-:

B + H2O HB+ HO-.

В рассмотренных примерах кислотно-основных взаимодействий образуются сопряженные кислотно-основные пары. Между силой кислоты и сопряженного с ней основания существует следующая зависимость: чем слабее кислота, тем больше сила сопряженного с ней основания, и наоборот. Так, вода как слабая кислота и слабое основание, теряя или присоединяя протон, превращается в сопряженное сильное основание (ОН-) или сопряженную сильную кислоту (Н3О+). Кислотно-основные равновесия смещены в направлении образования более слабой кислоты и более слабого основания. Поэтому в схеме автопротолиза воды равновесие практически полностью смещено в сторону неионизированной формы. Если расположить кислоты в порядке уменьшения их силы, то сила соответствующих (сопряженных) оснований будет изменяться в обратном порядке.

По Льюису, кислотные и основные свойства органических соединений оцениваются по способности принимать или предоставлять электронную пару с последующим образованием связи. Атом, принимающий электронную пару, является акцептором электронов, а соединение, содержащее такой атом, следует отнести к кислотам. Атом, предоставляющий электронную пару, является донором электронов, а соединение, содержащее такой атом, — основанием.

Библиографический список

Всеобщая история химии. Становление химии как науки. — М.: Наука, 1983.

Быков Г. В. История органической химии. — М.: Химия, 1976.

Химическая энциклопедия. Т. 2. — М.: Сов. энциклопедия, 1990.

Ингольд К. Теоретические основы органической химии. — М.: Мир, 1973.

Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии: В 2 т. — М.: Химия, 1981.

Нейланд О. Я. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1990.

[/sms]