Окислитель — определение, свойства, примеры¶
Окислитель — это вещество (или ион), которое принимает электроны в химической реакции и тем самым вызывает окисление другого вещества. Окислитель содержит атомы в высокой степени окисления и способен отнимать электроны у атомов или ионов с более низкой степенью окисления. В реакциях окислительно-восстановительного характера окислитель всегда является окисляющим агентом для восстановителя.
¶Основные понятия
В химии окислительно-восстановительные реакции (окислительно-восстановление, ОВР) представляют собой процессы переноса электронов между реагентами. Вещество, которое принимает электроны, называют окислителем, а вещество, которое отдаёт электроны, — восстановителем. При этом окислитель сам восстанавливается (уменьшает свою степень окисления), а восстановитель окисляется (увеличивает свою степень окисления).
Степень окисления — условный заряд атома в молекуле или ионе, рассчитанный исходя из того, что все связи имеют ионный характер. Чем выше степень окисления элемента в соединении, тем сильнее его склонность принимать электроны, то есть тем сильнее окислительные свойства.
¶Классификация окислителей
Окислители принято делить на несколько групп по степени их активности:
| Тип окислителя | Примеры | Особенности |
|---|---|---|
| Сильные неорганические | F₂, Cl₂, Br₂, O₃, KMnO₄, K₂Cr₂O₇, HNO₃ (конц.) | Полностью или почти полностью окисляют субстрат |
| Средние | H₂O₂, O₂, HNO₃ (разб.) | Избирательное действие, часто используются в лаборатории |
| Слабые | I₂, Fe³⁺, Cu²⁺, H₂SO₄ (разб.) | Окисляют только сильные восстановители |
| Органические окислители | Пероксиды, хиноны, нитросоединения | Широко применяются в органическом синтезе |
Фтор (F₂) — наиболее сильный окислитель среди простых веществ: он отнимает электроны практически у всех элементов, кроме благородных газов. Озон (O₃) также обладает очень высокой окислительной активностью и используется для обеззараживания воды.
¶Характерные реакции
Окислители участвуют в типичных для ОВР реакциях:
- С простыми веществами. Cl₂ + 2Na → 2NaCl. Хлор окисляет натрий до степени окисления +1.
- С металлами. 2FeCl₃ + Fe → 3FeCl₂. Ион Fe³⁺ окисляет металлическое железо до Fe²⁺.
- С восстановителями. MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O. Перманганат в кислой среде окисляет ионы железа(II).
- Разложение. 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Пероксид водорода одновременно является окислителем и восстановителем (диспропорционирование).
¶Окислительно-восстановительный потенциал
Сила окислителя количественно оценивается по стандартному электродному потенциалу (E°). Чем выше значение E°, тем сильнее вещество окисляет другие субстанции. Некоторые стандартные потенциалы:
| Полуреакция | E°, В |
|---|---|
| F₂ + 2e⁻ → 2F⁻ | +2,87 |
| Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻ | +1,36 |
| MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O | +1,51 |
| Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O | +1,33 |
| O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O | +1,23 |
| I₂ + 2e⁻ → 2I⁻ | +0,54 |
| Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺ | +0,77 |
Значения E° позволяют предсказывать, произойдёт ли реакция между двумя веществами: окислитель с более высоким потенциалом способен окислять восстановитель, чей потенциал ниже.
¶Применение
Окислители находят широкое применение в промышленности и лабораторной практике:
- Металлургия. Окисление руд для извлечения металлов (например, обжиг сульфидных руд).
- Химическая промышленность. Производство синтетических материалов, кислот, удобрений.
- Обеззараживание. Хлорирование воды, озонирование, использование перманганата калия.
- Топливо и ракетная техника. Жидкий кислород, азотная кислота, перекись водорода в качестве окислителей для ракетных топлив.
- Органический синтез. Перманганат калия, хромовые смеси, пероксиды для введения кислородсодержащих функциональных групп.
¶Меры безопасности
Сильные окислители (перманганат калия, пероксид водорода в высокой концентрации, азотная кислота, хлораты) требуют осторожного обращения. При контакте с горючими материалами они могут вызывать возгорание и взрыв. Хранить их следует отдельно от восстановителей и органических веществ, в закрытой таре, вдали от источников тепла.
¶Историческая справка
Понятие окислителя сформировалось в XVII–XVIII веках в связи с изучением горения. Антуан Лавуазье в 1770-х годах показал, что горение — это реакция с кислородом, и предложил термин «кислород» (от греч. oxys — кислый и genes — рождающий). Позднее, с развитием электронной теории строения вещества (Г. Льюис, Ф. Сиджвик, 1910–1920-е годы), окислительно-восстановительные реакции получили электронное объяснение, а термин «окислитель» приобрёл современное значение.