Тотығу-тотықсыздану реакциялары

Тотығу-тотықсыздану реакциялары (ТТР) — реакцияға қатысушы заттардың құрамындағы элементтердің тотығу дәрежелерінің өзгеруімен жүретін реакциялар. 18 ғасырдың аяғында А.Лавуазье жанудың оттекті теориясын ұсынған кезден бастап тотығу заттардың оттекпен қосылуы, ал тотықсыздану оттекті бөліп алу процестері деп қаралған. 1920 – 1930 ж. химияда электрондық түсініктің қалыптасуына байланысты оттек қатыспайтын реакциялардың да Тотығу-тотықсыздану реакциялары болатындығы анықталды. Тотығу-тотықсыздану реакциялар процестері көбінесе электрондық теңдеулермен өрнектеледі. Зарядтардың сақталу заңына қайшы келмес үшін Тотығу-тотықсыздану реакциялар кезінде тотықтырғыштың қосып алған электрондар саны тотықсыздандырғыштың берген электрондар санына тең болуы керек деген жалпы ереже сақталады. Тотығу-тотықсыздану реакцияларын коэффициенттер қойып теңестірудің екі әдісі бар: электрондық тепе-теңдік және электрон-ион. Электрондық тепе-теңдік әдісі бойынша берілген және қосып алған электрондар саны элементтердің реакцияға дейінгі және реакциядан кейінгі тотығу дәрежесінің негізінде анықталады. Электрон-ион әдісі бойынша жалпы иондық реакцияларды құру ережесіне сәйкестеп реакция сұлбасын құрады. Күшті электролитті ион түрінде, бейэлектролит пен әлсіз электролиттерді, газдарды және тұнбаларды молекула күйінде жазады. Бұл әдіс реакция жүрген ортаның табиғатына байланысты. Себебі реакция бағытына орта күшті әсерін тигізеді. Мысалы: HCl → H⁺ + Cl⁻ ; H₂O ⇌ H⁺ + OH болатын Тотығу-тотықсыздану реакцияларындағы тепе-теңдік қышқылдық ортада солға, ал негіздік ортада оңға ығысады. Күшті тотықтырғыш Mn+7 қышқылдық ортада Mn2+-ге дейін, сілтілік ортада Mn+6, бейтарап ортада Mn+4O2 молекуласына дейін тотықсызданады. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының стехиометриялық коэффициеттерін табудың бұлардан басқа А.Гарсиа, электронды баланс, математикалық әдістері де бар. Химияда Тотығу-тотықсыздану реакциялар өте кең таралған. Мысалы, аммиак, азот қышқылы, күкірт қышқылын алу, электролиз (анодта электрхимиялық тотығу, катодта электрхимиялық тотықсыздану), жану процесі, металдар коррозиясы, фотосинтез, т.б. маңызды биологиялық құбылыстар Тотығу-тотықсыздану реакциялар процесіне жатады. Тотығу-тотықсыздану реакциялар өнеркәсіпте және техникада көміртек (ҚҚ, ҚV) оксидтерін, таза металл, т.б. алуда кеңінен қолданылады. Заттардың тотығу-тотықсыздану қасиеттерін анықтау Біз күкірттің бірнеше қосылыстарын білеміз: күкіртті сутек H 2 S, күкірт қышқылы H 2 SО 4 , күкірт (VI) оксиді SО 3 , күкіртті қышқыл H 2 SО 3 , күкірт (IV) оксиді SО 2 . Міне, осы заттардың әрқайсысының тотығу-тотықсыздану реакцияларындағы атқарар рөлін тек олардың формулаларына қарап анықтауға болады. Ол үшін осы қосылыстардағы элементтердің тотығу дәрежелерін пайдалануға болады. Көрсетілген қосылыстардағы күкірттің тотығу дәрежелері: - 2 (H 2 S), +4 (H 2 SО 3 , SO,), +6 (H 2 SО 4 , SО 3 ) мәндерін көрсетеді, енді осы сандарды сан өсіне салып, тотығу дәрежелерінің өзгерулерін қарастыралық: Элемент ең төменгі тотығу дәрежесінде тек тотықсыздандырғыш, ең жоғарғы тотығу дәрежесінде тек тотықтырғыш, ал аралық тотығу дәрежесінде болса әрі тотықтырғыш, әрі тотықсыздандырғыш болады. Бөлшек (атом, молекула) электронды бергенде оның оң тотығу дәрежесі артса, қосқанда оң тотығу дәрежесі кеміп, теріс тотығу дәрежесінің абсолюттік мәні артады. Элементтің тотығу дәрежесі жоғары болса, ол тотықтырғыш қасиет көрсетеді, ал тотығу дәрежесі төмен болса — тотықсыздандырғыш қасиет көрсетеді.. Электрондық баланс әдісі Электрондық баланс әдісі бастапқы реагенттер мен соңғы өнімдердің құрамындағы элементтер атомдарының тотығу дәрежелерін салыстыруға негізделген. NH 4 SCN + KMnO 4 + H 2 SO 4 → MnSO 4 + N 2 +CO 2 + K 2 SO 4 +H 2 O Тотықсыздану : Mn +7 +5e → Mn +2 | 14 Тотығу : 2N -3 -6e → N 2 0 | 5 Тотығу : S -2 -8e → S +6 | 5 14 Mn +7 +10N -3 +5 S -2 → 14 Mn +2 +5 N 2 0 + 6 S +6 5NH 4 SCN+14KMnO 4 +16H 2 SO 4 →14MnSO 4 +5N 2 +5CO 2 +7K 2 SO 4 +26H 2 O Электрондық баланс әдісін қолдану алгоритмі Тотығу-тотықсыздану реакцияларын электрондық баланс әдісімен теңестіргенде әдетте мынадай алгоритмді қолданады: 1. Реакцияның толық молекулалық теңдеуін (әрине, тәжірибелік мәліметгерге сүйеніп жазылған), яғни реагенттер мен өнімдердің формулаларын жазамыз. Мысалы: КМnО 4 +Н 2 SО 4 +Nа 2 SО 3 → МnSО 4 +Nа 2 S0 4 +К 2 SО 4 +Н 2 О 2. Реакция барысында өзінің тотығу дәрежелерін өзгертіп тұрған элементтерді табамыз: + 1+7 -2 +1+6-2 +1 +4-2 +2 +6-2 +1 +6-2 +1+6-2 +1-2 KMnO 4 + H 2 SO 4 + Nа 2 SО 3 → MnSO 4 + Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O Мұнда марганец (II) және калий сульфаттарының қүрамындағы күкірт атомдары күкірт қышқылы молекулаларынан келеді деп есептейміз. 3.Тотығу және тотықсыздану үрдістерінің сызбанұсқаларын жеке-жеке жазамыз: Mn +7 → Мn +2 тотықсыздану үрдісі S +4 → S +6 тотығу үрдісі 4. Элементтердің тотығу дәрежелерінің өзгеруіне сүйене отырып, тотығу және тотықсыздану үрдістері кезінде берілген немесе қосып алынған электрондардың санын анықтаймыз: Мn +7 + 5е → Мn +2 тотықсыздану үрдісі S +4 -2е → S +6 тотығу үрдісі 5. Тотықтырғыштың қосып алған электрондарының саны тотықсыздандырғыштың берген электрондарының санына тең екендігін ескере отырып, электрондық баланс қүрамыз: Mn +7 +5e → Mn +2 │2 S +4 -2е → S +6 │5 Ол үшін тотығу үрдісінің теңдеуінің әр мүшесін тотықтырғыштың қосып алған электрондар санына көбейтеміз, ал тотықсыздану үрдісінің теңдеуінің әр мүшесін тотықсыздандырғыштың беріп жіберген электрондар санына көбейтіп, реакцияға дейінгі және реакциядан кейінгі бөлшектерді жеке топтап жазамыз. Сонда реакцияның қысқаша иондық теңдеуін аламыз: 2Мn +7 +5S +4 2Мn +2 +5S +6 6. Қысқаша иондық теңдеудегі әр бөлшектің алдындағы коэффициентті толық молекулалық теңдеудегі сол бөлшектерге сәйкес заттардың алдына апарып қоямыз: 2КМnО 4 +5Nа 2 SО 3 +3H 2 SO 4 2MnSO 4 +5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 +3H 2 O 7. Тотығу және тотықсыздану үрдістеріне тікелей қатынаспайтын элементтерді теңестіреміз. Ол үшін алдымен металл атомдарын, содан кейін қышқыл қалдықтарын, ең соңында сутек атомдарын, оның алдында оттек атомдарын теңестірген ыңғайлы: 2КМnО 4 +5Nа 2 SО 3 +3H 2 SO 4 =2MnSO 4 +5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 +3H 2 O Электрондық баланс әдісінің С. Дорожкин мен И.Сирота ұсынған нұсқасы Оның негізгі идеясы мынада: тотықсыздандыргыштың құрамына кіретін элементтерді жай заттар ретінде қарастырады, яғни тотықсыздандырғыштың құрамына кіретін элементтердің тотығу дәрежелерін шартты түрде нөлге тең деп алады. Әрі қарай — кәдімгідей. Мысалы: 1.Пиритті өртеу реакциясы: FeS 2 + O 2 → Fe 2 O 3 +SO 2 ↑ Пиритті жай зат атомдарының қоспасы ретінде қарастырсақ: FeS 2 = Fe 0 + 2S 0 Бұдан әрі теңестіруді кәдімгідей жалғастыруға болады: Тотығу: Ғе° — 3е → Ғе +3 4 2S 0 -8е → 2S +4 4 Тотықсыздану: О 2 + 4 ё →2О -2 │11 4Ғе° + 8S°+ 11О 2 → 4Ғе +3 + 8S +4 + 22O -2 4 2O -2 атомдарын Ғе 2 О 3 және SО 2 молекулаларына бөліп жазып, молекулалық теңдеуге көшсек: 4 FeS 2 + 11O 2 →2 Fe 2 O 3 +8SO 2 2. +6 0 +4 +6 +1 NH 4 SCN + KMnO 4 + H 2 SO 4 → MnSO 4 + N 2 +CO 2 + K 2 SO 4 +H 2 O Тотығу: S 0 +6e →S +6 5 H 0 -4e → 4H +1 │5 C 0 -4e → C +4 │5 Тотықсыздану: Mn +7 +5e → Mn +2 │14 Азоттың тотығу дәрежесі өзгермейтін болғандықтан, ол электрондық балансқа қатыспайды: 5S° + 20Н° + 5С° + 14Мn +7 → 5S +6 + 20Н +1 + 5С +4 + 14Мn +2 Табылған коэффициенттерді молекулалық теңдеуге апарып қойсақ: 5NH 4 SCN +14 KMnO 4 + H 2 SO 4 → 14MnSO 4 + 5N 2 +5CO 2 + K 2 SO 4 +H 2 O Қалған коэффициенттерді теңдеудің екі жағында атомдар саны теңесетіндей етіп таңдаймыз: 5NH 4 SCN+14KMnO 4 +16H 2 SO 4 →14MnSO 4 +5N 2 +5CO 2 + 7K 2 SO 4 +26H 2 O Электрондық баланс әдісінің кемшіліктері 1. Электрондық баланс әдісін қатты және газ фазаларында өтетін құрғақ реакцияларға қолданған орынды, себебі ерітінділерде өтетін реакциялар үшін тотығу дәрежесі үғымын қолданудың қисыны көбінесе жоқ. Мысалы, электрондық баланс әдісінде қолданатьн S +4 , S +6 , Мп +7 сияқты бөлшектер ерітіндіде шын мәнінде болмайды. 2. Электрондық баланс әдісі сулы ортада өтетін тотығу-тотықсыздану үрдісінде маңызды рөл атқаратын Н + , ОН - және Н 2 О бөлшектерінің рөлін көрсетпейді. Сондықтан сулы ерітінділерде жүретін тотығу-тотықсыздану реакцияларын теңестіру үшін иондық-электрондық әдісті (жартылай реакциялар әдісі) қолданған жөн. 3.Электрондық баланс әдісі химиялық реакцияға қатысатын барлық заттардың коэффициенттерін табатын әмбебап әдіс емес. Бірақ, қосымша ережелерде оңтайлы қолданып, барлық коэффициенттерді табуға болады. 4. Кейде кейбір заттардың құрамындағы элементтердің тотығу дәрежелерін табу қиынға соғады. Олардың қатарына кейбір бейорганикалық және көптеген органикалық заттар жатады. Дереккөздер