Хімія. 9 клас. Березан

§ 19. Значення окисно-відновних процесів у природі, промисловості та житті людини

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

  • дізнаєтесь про те, які окисно-відновні процеси відбуваються в природі;
  • зрозумієте важливість окисно-відновних процесів для існування живих організмів;
  • з’ясуєте напрямки використання окисно-відновних процесів у промисловості;
  • запам’ятаєте типи окисно-відновних реакцій.

Окисно-відновні процеси в природі та житті людини

Більшість хімічних процесів, що відбувається в природі та здійснюється людиною в практичній діяльності, є окисно-відновними реакціями.

Саме окисно-відновні реакції відіграють значну роль у біохімічних процесах: диханні, гнитті, фотосинтезі, інших реакціях обміну речовин.

Запишемо рівняння реакції, що описує фотосинтез:

Чому, навіть не визначаючи ступенів окиснення елементів, одразу можна стверджувати, що це рівняння окисно-відновної реакції?

Карбон(ІV) оксид утворюється під час спалювання органічних речовин, під час гниття, а також під час дихання. А завдяки процесу фотосинтезу з карбон(ІV) оксиду знову утворюються органічні речовини. Сонячне проміння поглинається в клітинах рослин за допомогою хлорофілу. У рослинах синтезуються вуглеводи — глюкоза, крохмаль, целюлоза й інші речовини.

Довкілля можна розглядати як гігантську лабораторію, у якій щомиті відбуваються різноманітні хімічні реакції, більшість з яких є окисно-відновними.

Розгляньмо лише деякі з них. Завдяки життєдіяльності ґрунтових бактерій рештки тварин і рослин розкладаються. При цьому виділяється амоніак NH3. Потім цей газ під дією інших бактерій частково піддається окисненню:

2NH3 + 3О2 = 2HNO2 + 2Н2О

2HNO2 + О2 = 2HNO3

А нітратна кислота вже взаємодіє з карбонатами, що є в ґрунті:

СаСО3 + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + СО2↑ + Н2О

Саме тому в місцях гниття посліду тварин і решток рослин з'являється велика кількість нітратів.

Під час грозових розрядів відбувається низка таких хімічних реакцій:

N2 + О2 = 2NO

2NO + О2 = 2NO2

Чи всі три реакції є окисно-відновними? Чи міститься серед речовин-реагентів речовина, яка одночасно є і окисником, і відновником?

Кислоти, що утворюються, разом з атмосферними опадами потрапляють у ґрунт, де перетворюються на солі — нітрати й нітрити. Таким чином на 1 га ґрунту за 1 рік потрапляє в середньому від 4 до 15 кг Нітрогену.

Не менш цікаві окисно-відновні реакції відбуваються в природі за участі Сульфуру. Сульфур, який входить до складу білків, — один з найнеобхідніших для живих істот елементів. Після загибелі рослин і тварин їхні білки розкладаються з виділенням гідроген сульфіду H2S.

Окисно-відновні процеси в промисловості

З метою добування і використання енергії проводять доволі значну кількість окисно-відновних реакцій. Назвемо деякі з них:

а) горіння природного газу, бензину, дизельного пального у двигунах автомобілів, літаків; ракетного пального — у двигунах ракет;

б) спалювання різних видів палива на теплоелектростанціях;

в) одержання горючих газів (CO, Н2, СН4) з вугілля;

г) процеси окиснення і відновлення, що відбуваються в гальванічних елементах (акумулятори, батарейки).

Запишемо схему горіння метану — основного компонента природного газу:

CH4 + O2 → CO2 + H2O

Доведемо, що ця реакція є окисно-відновною, і перетворимо схему на рівняння:

Отже,

CH4 + 2О2 = СO2 + 2Н2О

Окисно-відновні процеси в металургії

Метали зазвичай добувають з руд завдяки реакціям, які називають реакціями відновлення. Відновники, які найчастіше використовують, — це водень Н2, карбон(ІІ) оксид (CO), кокс (С), активні метали (Al, Mg тощо):

СuО + Н2 = Сu + Н2O

Cr2O3 + 3СО = 2Сr + 3СО2

Рис. 19.1. Виплавлення свинцю

В останній реакції карбон(ІІ) оксид є відновником, а хром(ІІІ) оксид — окисником, тому що атом Карбону в складі CO віддає електрони, натомість атом Хрому в складі Сr2О3 приймає електрони. Такі окисно-відновні реакції називають міжмолекулярними.

Міжмолекулярними називають такі окисно-відновні реакції, у яких елемент-відновник та елемент-окисник є в складі різних речовин-реагентів.

Окисно-відновні процеси в піротехніці

Для добування вибухових речовин і сумішей, виготовлення феєрверків, бенгальських вогнів тощо використовують багато різних хімічних речовин. Серед них — бертолетова сіль КСlО3. Наведемо схему розкладання цієї солі під час нагрівання (до 550-620 °С):

Перетворимо схему реакції на рівняння, скориставшись методом електронного балансу:

Зверніть увагу на те, що КСlО3 є і окисником, і відновником. У формульній одиниці солі містяться елемент-відновник (Оксиген) та елемент-окисник (Хлор). Такі реакції називають внутрішньомолекулярними окисно-відновними реакціями.

Внутрішньомолекулярними називають такі окисно-відновні реакції у яких атоми елемента-відновника та елемента-окисника є складовими однієї речовини-реагента.

За інших умов нагрівання (до 400 °С) розкладання бертолетової солі відбувається таким чином:

Зауважмо, що в цій реакції елемент Хлор є й окисником, і відновником.

Реакції у яких той самий елемент є й окисником, і відновником і є складовим однієї речовини-реагента, називають реакціями диспропорціонування, або реакціями самоокиснення-самовідновлення.

Окисно-відновні процеси в хімічному виробництві

Виробництво багатьох складних хімічних речовин також базується на окисно-відновних реакціях:

  • амоніаку NH3, який використовують для добування нітратної кислоти і мінеральних добрив;
  • кислот: сульфатної H2SO4, хлоридної НСl;
  • лугів тощо.

Деякі окисно-відновні реакції завдають шкоди. Вони спричиняють пожежі, псування продуктів харчування, іржавіння металів, зокрема заліза. Ви, звичайно, бачили іржаві залізні вироби.

Рис. 19.2. Іржавіння заліза

Іржавіння — це окисно-відновна реакція за участі заліза як відновника. У ролі окисника виступає кисень повітря. Зазвичай у цьому процесі бере участь вода. Наведемо схему сумарного процесу іржавіння заліза:

Fe + О2 + Н2О → Fe(OH)3

Складіть схему електронного балансу та перетворіть схему реакції на рівняння. Укажіть речовину-окисник і речовину-відновник.

Підсумки

  • 1. Більшість хімічних процесів, що відбувається в природі та здійснюється людиною в практичній діяльності, є окисно-відновними реакціями.
  • 2. Метали зазвичай добувають з руд завдяки реакціям, які називають відновленням.
  • 3. Міжмолекулярними окисно-відновними реакціями називають такі реакції, у яких атоми, що відновлюються та окиснюються, є складовими різних речовин.
  • 4. Внутрішньомолекулярними окисно-відновними реакціями називають такі реакції, у яких атоми елемента-відновника та елемента-окисника є складовими однієї речовини-реагента.
  • 5. Реакції, у яких той самий елемент є і окисником, і відновником, називають реакціями диспропорціонування (самоокиснення-самовідновлення).
  • 6. Іржавіння — це окисно-відновна реакція за участі заліза як відновника. У ролі окисника виступає кисень повітря.

Контрольні запитання

  • 1. У яких природних процесах відбуваються окисно-відновні реакції?
  • 2. Опишіть процес фотосинтезу, назвіть речовини, які беруть у ньому участь.
  • 3. Для добування яких речовин використовують окисно-відновні реакції?
  • 4. Чи відбуваються окисно-відновні реакції під час роботи двигуна внутрішнього згоряння?
  • 5. Яке значення окисно-відновних реакцій для життя людини?
  • 6. Назвіть руйнівні процеси, в основі яких лежать окисно-відновні реакції.

Вправи та задачі

1. Одна руда, із якої добувають цінний метал — мідь, містить купрум(ІІ) сульфід. Щоб одержати метал, проводять реакції, описані схемами:

Перетворіть ці схеми на рівняння реакцій. Укажіть процеси окиснення і відновлення, речовини-окисники та речовини-відновники.

2. Фосфор добувають із природних сполук (руд), що містять кальцій ортофосфат. Перетворіть схему добування фосфору на рівняння реакції:

Укажіть процеси окиснення і відновлення, речовини-окисники і речовини-відновники.

3. Цинк добувають із цинкової обманки, основною складовою якої є цинк сульфід. Процес добування відбувається у два етапи:

  • 1) спочатку цинк сульфід випалюють (реакція з киснем);
  • 2) одержаний цинк оксид відновлюють вуглецем.

Напишіть рівняння описаних реакцій. Доведіть, що ці реакції є окисно-відновними.

4. За допомогою методу електронного балансу здійсніть добір коефіцієнтів у схемі процесу добування заліза:

Fe2O3 + С → Fe + СО2

5. Гідроген пероксид з масовою часткою Н2O2 3 % використовують як антисептик для обробки глибоких ран у медицині (для поверхневих ран застосовувати не бажано, оскільки він збільшує термін загоєння). Гідроген пероксид — речовина нестійка, під час тривалого зберігання (особливо у розчині) повільно відбувається реакція, описана схемою:

H2O2 → O2 + H2O

Перетворіть схему на рівняння реакції. Чи можна цю реакцію назвати реакцією самоокиснення-самовідновлення?