Окисно-відновні реакції, скорочення від реакцій відновлення-окислення, — це хімічні процеси, під час яких відбувається перенесення електронів між двома речовинами. Ці реакції є основою для розуміння різних хімічних і фізичних явищ, зокрема в галузі електрохімії.
В окисно-відновних реакціях окиснення і відновлення відбуваються одночасно. Окислення передбачає втрату електронів атомом або молекулою, тоді як відновлення включає отримання електронів. Речовина, яка втрачає електрони, називається відновником, а речовина, яка отримує електрони, називається окислювачем.
Щоб представити ці процеси, ми використовуємо числа окислення , щоб вказати заряд атома на основі припущеного розподілу електронів між атомами в молекулі. Зміна ступенів окислення атомів в окисно-відновній реакції може допомогти визначити, які речовини окислюються, а які відновлюються.
Електрохімія зосереджена на вивченні хімічних процесів, які викликають рух електронів. Цей рух електронів генерує електричний струм, який можна використовувати для різних застосувань. В основі електрохімії лежать електрохімічні елементи, які можна розділити на два основних типи:
Розглянемо як приклад цинково-мідний елемент. У цьому елементі металевий цинк виконує роль анода, а металева мідь – катода. Окисно-відновну реакцію можна описати наступними напівреакціями:
Загальну реакцію клітини можна представити у вигляді:
\( Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \)Ця реакція демонструє передачу електронів від цинку до іонів міді, керуючи потоком електрики через зовнішню схему, що з’єднує два електроди.
Для того, щоб пройшла окислювально-відновна реакція, мають бути збалансовані як процеси відновлення, так і процеси окислення. Це означає, що кількість електронів, втрачених у напівреакції окиснення, має дорівнювати кількості електронів, отриманих у напівреакції відновлення. Збалансування окислювально-відновних реакцій часто передбачає коригування коефіцієнтів у рівнянні реакції, щоб забезпечити збереження маси та заряду.
Окисно-відновні реакції мають численні застосування в електрохімії, від генерації електричної енергії до гальванічного покриття металів. Деякі відомі програми включають:
Доступний експеримент для вивчення окисно-відновних реакцій включає спостереження за реакцією між перекисом водню та йодистим калієм. У цій реакції перекис водню відновлюється, а йодид-іони окислюються. При додаванні невеликої кількості мильного засобу в результаті реакції утворюється велика кількість бульбашок кисню, демонструючи яскраву окисно-відновну реакцію.
Щоб виконати цей експеримент, змішайте в ємності перекис водню з невеликою кількістю мильного засобу. Додайте йодид калію як каталізатор і спостерігайте за швидким утворенням піни. Ця реакція «слонячої зубної пасти» не тільки ілюструє концепцію окислювально-відновних реакцій, але й демонструє їхні драматичні наслідки.
Окисно-відновні реакції є фундаментальним аспектом хімії, особливо у вивченні електрохімії. Ці реакції, що характеризуються передачею електронів між речовинами, є невід’ємною частиною нашого розуміння того, як хімічна енергія перетворюється на електричну і навпаки. Завдяки ретельному вивченню та застосуванню окисно-відновних реакцій ми можемо використовувати їхній потенціал у технологіях, накопиченні енергії та навіть біологічних системах.
