Chemie

Oxidations-Reduktions-Reaktion - Elektrochemische Reaktionen

Elektrochemische Reaktionen

Während des 19. Jahrhunderts führte das sich entwickelnde Gebiet der Elektrochemie zu einer erweiterten Sichtweise der Oxidation. Es war zum Beispiel möglich, das Eisen- oder Eisen (III) -Ion aus dem Eisen- oder Eisen (II) -Ion an der Anode (positive Elektrode , wo Elektronen aus der Lösung absorbiert werden) einer elektrochemischen Zelle (a ) zu erzeugen Gerät, in demchemische Energie wird gemäß der folgenden Gleichung in elektrische Energie umgewandelt:

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Chemische Gleichung.

Molekularer Sauerstoff könnte eine ähnliche Umwandlung bewirken, gemäß der Gleichung:

Chemische Gleichung.

Die Ähnlichkeit der beiden Prozesse führte zu einem Vorläufer der Erklärung des Elektronentransfers für Redoxreaktionen. Nach der Entdeckung des Elektrons wurde die Überzeugung, dass Oxidation und Reduktion durch Elektronenverlust und -gewinn erreicht werden, fest verankert. So neigten Chemiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts dazu, alle Redoxreaktionen auf den Elektronentransfer zurückzuführen. Spätere Arbeiten zur chemischen Bindung zeigten jedoch die Unrichtigkeit dieser Beschreibung. Eine Elektronegativität Die Skala (Auflistung der Elemente in absteigender Reihenfolge ihrer Tendenz, Bindungselektronen anzuziehen und zu halten) lieferte eine feste Grundlage für die Zuordnungen der Oxidationszustände, auf denen die Definitionen der Oxidationsreduktion basieren.

Beispiele für Oxidations-Reduktions-Reaktionen

Molekularer Sauerstoff ist ein auffällig wichtiges Oxidationsmittel. Es oxidiert alle bis auf einige wenige Metalle und die meisten Nichtmetalle direkt. Oft führen diese direkten Oxidationen zu normalen Oxiden wie Lithium (Li), Zink (Zn), Phosphor (P) und Schwefel (S).

Chemische Gleichungen.

Bio-Lebensmittel werden bei der Atmung zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert . Die Reaktions Stöchiometrie kann dargestellt werdenGlukose , ein einfacher Zucker:

Chemische Gleichung.

Obwohl die Sauerstoff-Glukose-Reaktion bei Umgebungstemperaturen außerhalb der lebenden Zelle langsam ist , verläuft sie unter dem Einfluss der enzymatischen Katalyse im Körper schnell . Im Wesentlichen reagieren alle organischen Verbindungen unter geeigneten Bedingungen mit Sauerstoff, aber die Reaktionsgeschwindigkeiten bei gewöhnlichen Temperaturen und Drücken variieren stark.

Viele andere Oxidationsmittel dienen als Sauerstoffatomquellen. Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ), Säurechromation (HCrO 4 - ) und Hypochlorsäure (HClO) sind Reagenzien, die häufig bei Sauerstoffatomtransferreaktionen verwendet werden - beispielsweise bei folgenden Reaktionen:

Chemische Gleichungen.

Bei den einfachsten Wasserstoffatomtransfers dient molekularer Wasserstoff als Wasserstoffatomquelle. DasHydrierungen von Ethylen und molekularem Stickstoff sind in den folgenden Gleichungen veranschaulicht:

Chemische Gleichungen.

Reaktionen von molekularem Wasserstoff sind bei gewöhnlichen Temperaturen charakteristisch langsam. Die Hydrierung von molekularem Stickstoff und von Olefinen wie Ethylen (ein Olefin ist eine ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindung ; es hat mindestens zwei benachbarte Kohlenstoffatome , die durch eine Doppelbindung verbunden sind, an die andere Atome oder Atomgruppen direkt gebunden werden können) ist ein Prozess von außerordentliche wirtschaftliche Bedeutung und erfordert, dass Katalysatoren mit nützlichen Raten auftreten.

Der Wasserstoffatomtransfer von einem organischen Molekül zu einem geeigneten Akzeptor ist eine übliche Art der organischen Oxidation. Die Oxidation von Ameisensäure durch Permanganat und die von Ethanol durch Säurechromat teilen sich die Stöchiometrie, die den Verlust von Wasserstoffatomen durch die organische Spezies zeigt, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt:

Chemische Gleichungen.

Die für viele Wasserstoffatomakzeptoren typischen Oxidationsmittel Permanganat und Säurechromat unterliegen eher komplizierten Änderungen als einer einfachen Wasserstoffatomaddition.

Die Elektronentransferstöchiometrie ist normalerweise mit assoziiert Metallionen in wässriger Lösung, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt:

Chemische Gleichungen.

Es wurde gezeigt, dass viele positiv geladene Metallionen an Wassermoleküle gebunden sind, so dass ihre Elektronentransferreaktion zwischen ziemlich komplexen Molekülgruppen stattfindet. DasDie obigen Eisenionenformeln werden beispielsweise besser als [Fe (H 2 O) 6 ] 2+ und [Fe (H 2 O) 6 ] 3+ geschrieben , um das Vorhandensein von sechs an das Metall gebundenen Wassermolekülen widerzuspiegelnIon . Einfacher Elektronentransfer zwischen freien Ionen nur in der Gasphase bekannt, wie er in diesem Argon - Natrium - Reaktion:

Chemische Gleichung.

Einige andere Arten von Redoxreaktionen fallen nicht in die Kategorien Sauerstoffatom, Wasserstoffatom oder Elektronentransfer. Dazu gehören Reaktionen von Fluor , Chlor , Brom und Jod . Diese vier Elemente, bekannt als dieHalogene bilden zweiatomige Moleküle, die vielseitige Oxidationsmittel sind. Die folgenden Beispiele sind typisch:

Chemische Gleichungen.

Solche Reaktionen qualifizieren sich oft nur in dem weiten Sinne als Redoxprozesse, dass Änderungen des Oxidationszustands auftreten. Die Charakterisierung des Oxidationszustands erweitert die Oxidations-Reduktions-Chemie um Beispiele aus den Reaktionen aller chemischen Elemente.

Bedeutung von Redoxreaktionen

Oxidation-reduction reactions have vast importance not only in chemistry but in geology and biology as well. The surface of Earth is a redox boundary between the planet’s reduced metallic core and an oxidizing atmosphere. Earth’s crust is largely composed of metal oxides, and the oceans are filled with water, an oxide of hydrogen. The tendency of nearly all surface materials to be oxidized by the atmosphere is reversed by the life process of photosynthesis. Because they are constantly renewed by the photosynthetic reduction of carbon dioxide, life’s complex compounds can continue to exist on Earth’s surface.

For similar reasons, much of chemical technology hinges on the reduction of materials to oxidation states lower than those that occur in nature. Such basic chemical products as ammonia, hydrogen, and nearly all the metals are produced by reductive industrial processes. When not used as structural materials, these products are reoxidized in their commercial applications. The weathering of materials, including wood, metals, and plastics, is oxidative, since, as the products of technological or photosynthetic reductions, they are in oxidation states lower than those stable in the atmosphere.

Sonnenstrahlung wird durch einen Redoxzyklus, der weltweit kontinuierlich arbeitet, in nützliche Energie umgewandelt. Die Photosynthese wandelt Strahlungsenergie in chemische potentielle Energie um, indem Kohlenstoffverbindungen in niedrige Oxidationsstufen reduziert werden. Diese chemische Energie wird entweder durch enzymatische Oxidationen bei Umgebungstemperaturen oder während der Verbrennung bei erhöhten Temperaturen zurückgewonnen.