Восстанавливающий агент (также называемый восстановитель , редуктор , или донором электронов ) представляет собой элемент или соединение , которое теряет или «передали» электрон к электронному получателю ( так называемого окислительным агент , окислитель или окислителем ) в окислительно - восстановительной химической реакции. Степень окисления восстановителяувеличивается, в то время как окислитель уменьшается; это выражается в том, что восстановители «подвергаются окислению» и «окисляются», в то время как окислители «подвергаются восстановлению» и «восстанавливаются». Таким образом, восстановители «восстанавливают» окислители, уменьшая их степень окисления, в то время как окислители «окисляют» восстановители, повышая их степень окисления.
Чтобы уточнить, в окислительно-восстановительной реакции агент, степень окисления которого увеличивается, который «теряет / обозначает электроны», «окисляется» и что «восстанавливает», называется восстановителем или восстанавливающим агентом , в то время как агент, степень окисления которого уменьшается, то, что «получает / получает электроны», что «восстанавливается» и что «окисляется», называется окислителем или окислителем . Таким образом, восстановитель окисляется окислителем, когда он теряет электроны, полученные этим окислителем, которые одновременно восстанавливаются восстановителем.
В их предреакционных состояниях у восстановителей есть лишние электроны (то есть они сами по себе восстанавливаются), а у окислителей нет электронов (то есть они сами по себе окисляются). Восстановитель обычно находится в одной из своих более низких возможных степеней окисления и известен как донор электронов. Примеры восстановителей включают земельные металлы, муравьиную кислоту , щавелевую кислоту и сульфитные соединения. Например, рассмотрим общую реакцию на аэробное клеточное дыхание :
- C 6 H 12 O 6 (т) + 6O 2 (г) → 6CO 2 (г) + 6H 2 O (л)
Кислорода (O 2 ) сокращается, так что окислитель. Глюкозы (С 6 Н 12 О 6 ) будет окисляться, так что восстанавливающий агент.
В органической химии восстановление обычно относится к добавлению водорода к молекуле, хотя вышеупомянутое определение все еще применимо. Например, окислитель бензол восстанавливается до циклогексана в присутствии платинового катализатора :
- С 6 Н 6 + 3 Н 2 → С 6 Н 12
Исторически восстановление относилось к удалению кислорода из соединения, отсюда и название «восстановление». Важным примером этого явления было Великое событие окисления , в котором биологически произведенный молекулярный кислород ( двуокись кислорода ( O 2 ), окислитель и приемник электронов) был добавлен в атмосферу ранней Земли , которая изначально была восстановительной атмосферой, содержащей восстановительные газы, такие как метан ( CH
4) и монооксид углерода ( CO ) (вместе с другими донорами электронов) и практически без кислорода, потому что любой образовавшийся реагирует с этими или другими восстановителями (особенно с железом, растворенным в морской воде ), что приведет к их удалению . Используя воду в качестве восстановителя, водные фотосинтезирующие цианобактерии производили этот молекулярный кислород в качестве побочного продукта. [1] Этот O 2 первоначально окислял растворенное в океане двухвалентное железо (Fe (II) - что означает железо в степени окисления +2) с образованием нерастворимых оксидов трехвалентного железа (Fe (III) - что означает железо в степени окисления +3), что осаждался на дно океана с образованием полосчатых железных образований , тем самым удаляя кислород (и железо). Скорость производства кислорода в конечном итоге превысила доступность восстановительных материалов, которые удаляли кислород, что в конечном итоге привело к созданию на Земле сильно окислительной атмосферы, содержащей большое количество кислорода (как современная атмосфера ). [2] Современное понимание донорства электронов является обобщением этой идеи, признавая, что другие компоненты могут играть аналогичную химическую роль с кислородом.
Характеристики
Рассмотрим следующую реакцию:
- 2 [Fe (CN) 6 ] 4- + Cl
2→ 2 [Fe (CN) 6 ] 3− + 2 Cl-
Восстановителем в этой реакции является ферроцианид ( [Fe (CN) 6 ] 4– ). Он отдает электрон, окисляясь до феррицианида ( [Fe (CN) 6 ] 3– ). Одновременно этот электрон получает хлор- окислитель ( Cl
2), который восстанавливается до хлорида ( Cl-
).
Сильные восстановители легко теряют (или отдают) электроны. Атом с относительно большим атомным радиусом, как правило, является лучшим восстановителем. У таких разновидностей расстояние от ядра до валентных электронов настолько велико, что эти электроны не сильно притягиваются. Эти элементы обычно являются сильными восстановителями. Хорошие восстановители, как правило, состоят из атомов с низкой электроотрицательностью , которая представляет собой способность атома или молекулы притягивать связывающие электроны, и частицы с относительно небольшой энергией ионизации также служат хорошими восстановителями.
Мера способности материала к восстановлению известна как его восстановительный потенциал . [3] В таблице ниже показаны несколько потенциалов восстановления, которые можно изменить на потенциалы окисления, поменяв знак местами. Восстановители могут быть ранжированы по увеличению силы путем ранжирования их восстановительных потенциалов. Восстановители отдают электроны окислителям (то есть «восстанавливают») , которые, как говорят, «восстанавливаются» восстановителем. Восстановитель сильнее, когда он имеет более отрицательный восстановительный потенциал, и слабее, когда он имеет более положительный восстановительный потенциал. Чем больше положительный потенциал восстановления, тем больше у этого вида сродство к электронам и тенденция к уменьшению (то есть к получению электронов). В следующей таблице представлены потенциалы восстановления указанного восстановителя при 25 ° C. Например, среди натрия (Na), хрома (Cr), одновалентной меди (Cu + ) и хлорида (Cl - ) именно Na является самым сильным восстановителем, а Cl - самым слабым; иначе говоря, Na - самый слабый окислитель в этом списке, а Cl - самый сильный.
Обычные восстановители включают металлы калий, кальций, барий, натрий и магний, а также соединения, содержащие ион H - , например NaH , LiH , [5] LiAlH 4 и CaH 2 .
Некоторые элементы и соединения могут быть как восстановителями, так и окислителями . Газообразный водород является восстановителем, когда он реагирует с неметаллами, и окислителем, когда он реагирует с металлами.
- 2 Li (тв) + H 2 (г) → 2 LiH ( тв ) [а]
Водород (с потенциалом восстановления 0,0) действует как окислитель, потому что он принимает донорские электроны от восстанавливающего агента лития (с потенциалом восстановления -3,04), что вызывает окисление Li и восстановление водорода.
- H 2 (г) + F 2 (г) → 2 HF (г) [б]
Водород действует как восстанавливающий агент, потому что он отдает свои электроны фтору, что позволяет восстанавливать фтор.
Важность
Восстановители и окислители ответственны за коррозию , то есть «разложение металлов в результате электрохимической активности». [3] Коррозия требует наличия анода и катода . Анод - это элемент, который теряет электроны (восстановитель), поэтому окисление всегда происходит на аноде, а катод - это элемент, который приобретает электроны (окислитель), поэтому восстановление всегда происходит на катоде. Коррозия возникает всякий раз, когда есть разница в окислительном потенциале. Когда он присутствует, металл анода начинает разрушаться, если есть электрическое соединение и присутствие электролита .
Пример окислительно-восстановительной реакции
Образование оксида железа (III) ;
- 4Fe + 3O 2 → 4Fe 3+ + 6O 2− → 2Fe 2 O 3
В приведенном выше уравнении железо (Fe) имеет степень окисления 0 до и 3+ после реакции. Для кислорода (O) степень окисления начиналась с 0 и снижалась до 2–. Эти изменения можно рассматривать как две « полуреакции », которые происходят одновременно:
- Половина реакции окисления: Fe 0 → Fe 3+ + 3e -
- Половина реакции восстановления: O 2 + 4e - → 2 O 2−
Железо (Fe) окислилось, потому что степень окисления увеличилась. Железо является восстановителем, потому что оно дало электроны кислороду (O 2 ). Кислород (O 2 ) был восстановлен, потому что степень окисления уменьшилась, и является окислителем, потому что он забирает электроны у железа (Fe).
Общие восстановители
- Литий - алюминий гидрид (LiAlH 4 ), очень сильный восстановитель
- Red-Al (NaAlH 2 (OCH 2 CH 2 OCH 3 ) 2 ), более безопасная и стабильная альтернатива литийалюминийгидриду
- Возникающий (атомарный) водород
- Водород без подходящего катализатора или с ним, например катализатор Линдлара.
- Амальгама натрия (Na (Hg))
- Натрий-свинцовый сплав (Na + Pb)
- Амальгама цинка (Zn (Hg)) (реагент для восстановления Клемменсена )
- Диборан
- Боргидрид натрия (NaBH 4 )
- Соединения, содержащие ион Fe 2+ , такие как сульфат железа (II)
- Соединения, содержащие ион Sn 2+ , такие как хлорид олова (II)
- Диоксид серы (иногда также используется как окислитель ), сульфитные соединения
- Дитионаты , например Na 2 S 2 O 6
- Тиосульфаты , например Na 2 S 2 O 3 (в основном в аналитической химии)
- Йодиды , например KI (в основном в аналитической химии)
- Перекись водорода ( H
2О
2) - в основном окислитель, но иногда может действовать как восстановитель (обычно в аналитической химии). - Гидразин ( восстановление Вольфа-Кишнера )
- Гидрид диизобутилалюминия (DIBAL-H)
- Щавелевая кислота ( C
2ЧАС
2О
4) - Муравьиная кислота (HCOOH)
- Аскорбиновая кислота (C 6 H 8 O 6 )
- Уменьшение сахара
- Фосфиты , гипофосфиты и фосфористая кислота
- Дитиотреитол (DTT) - используется в биохимических лабораториях, чтобы избежать связей SS.
- Окись углерода (CO)
- Цианиды в гидрохимических металлургических процессах
- Углерод (C)
- Трис-2-карбоксиэтилфосфина гидрохлорид (TCEP)
Смотрите также
- Коррозия
- Электрохимия
- Электролит
- Акцептор электронов
- Электронный донор
- Электросинтез
- Редокс
- Уменьшающий эквивалент
- Органическое восстановление
- Окислитель
Заметки
- ^ Половинные реакции : 2 Li 0 (s) → 2 Li + (s) + 2 e - ::::: H 2 0 (g) + 2 e - → 2 H - (g)
- ^ Половинные реакции : H 2 0 (g) → 2 H + (g) + 2 e - ::::: F 2 0 (g) + 2 e - → 2 F - (g)
Рекомендации
- Перейти ↑ Buick, Roger (27 августа 2008 г.). «Когда развился кислородный фотосинтез?» . Философские труды Королевского общества B . 363 (1504): 2731–2743. DOI : 10.1098 / rstb.2008.0041 . ISSN 0962-8436 . PMC 2606769 . PMID 18468984 .
- ^ Соса Торрес, Марта Э .; Сауседо-Васкес, Хуан П .; Кронек, Питер MH (2015). «Глава 1, Раздел 2: Повышение содержания кислорода в атмосфере». В Кронеке, Peter MH; Соса Торрес, Марта Э. (ред.). Поддержание жизни на планете Земля: металлоферменты, усваивающие кислород и другие жевательные газы . Ионы металлов в науках о жизни, том 15. 15 . Springer. С. 1–12. DOI : 10.1007 / 978-3-319-12415-5_1 . ISBN 978-3-319-12414-8. PMID 25707464 .
- ^ а б «Значения электродного восстановления и окислительного потенциала» . www.EESemi.com . Проверено 12 июля 2021 года .
- ^ «Стандартные электродные потенциалы» . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 29 марта 2018 .
- ^ Aufray M, Menuel S, Fort Y, Eschbach J, Rouxel D, Vincent B (2009). «Новый синтез наноразмерных оксидов ниобия и частиц ниобата лития и их характеристика с помощью анализа XPS» (PDF) . Журнал нанонауки и нанотехнологий . 9 (8): 4780–4789. DOI : 10,1166 / jnn.2009.1087 . PMID 19928149 .
- ^ http://bbc.co.uk/bitesize/guides/zx2bh39/revision/5
дальнейшее чтение
- «Химические принципы: поиски понимания», третье издание. Питер Аткинс и Лоретта Джонс стр. F76
Внешние ссылки
- Таблица, обобщающая силу восстановителей на Wayback Machine (архивная копия от 11 июня 2011 г.)