2.17: Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные реакции изменяют степени окисления атомов посредством переноса электронов от одного атома, восстанавливающего агента, к другому атому, который получает электрон, называемому окислитель. Здесь атом, который отдает электроны, окисляется – он теряет электроны – а атом, который принимает электроны, приобретает менее положительный заряд, потому что он получает электроны. Перенос энергии в окислительно-восстановительных реакциях зависит от способности атомов притягивать связывающие электроны – их электроотрицательность. Если окислитель более электроотрицателен, чем восстановитель, то выделяется энергия. Однако, если окислитель менее электроотрицателен, чем восстановитель, требуется подвод энергии.

Восстанавливающие агенты окисляются

Окисление – это потеря или получение электронов? Терминология может сбивать с толку. Акроним OIL RIG обычно используется для запоминания. Это означает окисление – потеря; уменьшение есть прибыль (Oxidation Is Loss Reduction Is Gain). Итак, если атом окисляется, то он теряет электроны. В качестве восстановителя окисленный атом передает электроны другому атому, вызывая его восстановление. Имея в виду OIL RIG, можно ответить на большинство вопросов об участниках окислительно-восстановительной реакции.

Электроотрицательность и энергия

Окислительно-восстановительные реакции либо производят, либо требуют энергии. Если атом теряет электрон в пользу более электроотрицательного атома, то это энергетически выгодная реакция, и выделяется энергия. На самом деле это очень логично – похоже на то, что сильный человек выигрывает перетягивание каната с более слабым – потому что более электроотрицательный атом имеет большую способность притягивать электроны к себе. Биологическим примером этого типа реакции является клеточное дыхание, при котором энергия высвобождается и используется для создания АТФ, формы энергии, которую клетки могут легко использовать.

Другие окислительно-восстановительные реакции требуют энергии, а не высвобождения. Если электрон перемещается от более электроотрицательного атома к менее электроотрицательному атому, необходимо использовать энергию. Это похоже на то, как более слабый человек выигрывает перетягивание каната с более сильным – для этого требуется энергия из внешнего источника. Биологический пример – фотосинтез, при котором электроны передаются от воды к углекислому газу с помощью энергии в виде света.

Неполный перенос электронов

Окислительно-восстановительная реакция может происходить не только при переносе электрона, но и при изменении распределения электронов в ковалентной связи! Например, при взаимодействии метана и кислорода они дают углекислый газ и воду. В этом случае углерод в метане окисляется. Это связано с тем, что электроны в метане поровну распределяются между углеродом и водородом, тогда как углерод в диоксиде углерода частично положителен, поскольку кислород притягивает электроны больше, чем углерод.