הפיכת חומר אחד למשנהו עם יצירת תרכובות חדשות נקראת תגובה כימית. הבנת התהליך הזה היא בעלת חשיבות רבה לחייהם של אנשים, כי בעזרתו ניתן לקבל כמות עצומה של חומרים נחוצים ושימושיים המצויים בטבע בכמויות קטנות או אינם קיימים כלל בצורתם הטבעית. בין הזנים החשובים ביותר הם תגובות חיזור (בקיצור OVR או חיזור). הם מאופיינים בשינוי במצבי החמצון של אטומים או יונים.
תהליכים המתרחשים במהלך התגובה
במהלך התגובה מתרחשים שני תהליכים - חמצון והפחתה. הראשון שבהם מאופיין בתרומת אלקטרונים על ידי חומרים מפחיתים (תורמים) עם עלייה במצב החמצון שלהם, השני על ידי הוספת אלקטרונים על ידי חומרים מחמצנים (מקבלים) עם ירידה במצב החמצון שלהם. חומרי ההפחתה הנפוצים ביותר הם מתכות ותרכובות שאינן מתכתיות במצב החמצון הנמוך ביותר (מימן גופרתי, אמוניה). טיפוסיחומרי חמצון הם הלוגנים, חנקן, חמצן, וכן חומרים המכילים יסוד במצב החמצון הגבוה ביותר (חומצה חנקתית או גופרתית). אטומים, יונים, מולקולות יכולים לתרום או לצבור אלקטרונים.
לפני 1777, ההשערה הייתה שחמצון הביא לאובדן של חומר בעירה בלתי נראה בשם פלוגיסטון. עם זאת, תיאוריית הבעירה שנוצרה על ידי A. Lavoisier שכנעה מדענים כי חמצון מתרחש בעת אינטראקציה עם חמצן, והפחתה מתרחשת תחת פעולת מימן. רק לאחר זמן מה התברר שלא רק מימן וחמצן יכולים להשפיע על תגובות חיזור.
חמצון
תהליך החמצון יכול להתרחש בשלבים הנוזליים והגזיים, כמו גם על פני השטח של מוצקים. תפקיד מיוחד ממלא על ידי חמצון אלקטרוכימי המתרחש בתמיסות או נמס באנודה (אלקטרודה המחוברת לקוטב החיובי של מקור הכוח). לדוגמה, כאשר הפלואורידים מומסים על ידי אלקטרוליזה (פירוק של חומר ליסודות המרכיבים אותו על גבי אלקטרודות), מתקבל חומר החמצון האי-אורגני החזק ביותר, פלואור.
דוגמה קלאסית נוספת לחמצון היא בעירה באוויר ובחמצן טהור. חומרים שונים מסוגלים לתהליך זה: מתכות ולא מתכות, תרכובות אורגניות ואי-אורגניות. ישנה חשיבות מעשית לשריפת הדלק, שהיא בעיקר תערובת מורכבת של פחמימנים עם כמויות קטנות של חמצן, גופרית, חנקן ושאר יסודות.
מחמצן קלאסי –חמצן
חומר פשוט או תרכובת כימית שבה אטומים מחברים אלקטרונים נקרא חומר מחמצן. דוגמה קלאסית לחומר כזה היא חמצן, שהופך לאחר התגובה לתחמוצות. אבל גם חומר מחמצן בתגובות חיזור הוא האוזון, המופחת לחומרים אורגניים (למשל, קטונים ואלדהידים), פרוקסידים, היפוכלוריטים, כלורטים, חומצות חנקתיות וגופרית, תחמוצת מנגן ופרמנגנט. קל לראות שכל החומרים האלה מכילים חמצן.
מחמצנים נפוצים אחרים
עם זאת, תגובת החיזור היא לא רק תהליך הכולל חמצן. במקום זאת, הלוגנים, כרום ואפילו קטיוני מתכת ויון מימן (אם הוא הופך לחומר פשוט כתוצאה מהתגובה) יכולים לפעול כחומר מחמצן.
כמה אלקטרונים יתקבלו תלוי במידה רבה בריכוז חומר החמצון, כמו גם בפעילות המתכת המקיימת איתה אינטראקציה. למשל, בתגובה של חומצה חנקתית מרוכזת עם מתכת (אבץ) ניתן לקבל 3 אלקטרונים, ובאינטראקציה של אותם חומרים, בתנאי שהחומצה נמצאת בצורה מאוד מדוללת, כבר 8 אלקטרונים.
המחמצנים החזקים ביותר
כל חומרי החמצון שונים בחוזק התכונות שלהם. לכן, ליון המימן יש יכולת חמצון נמוכה, בעוד שכלור אטומי, שנוצר באקווה רג'יה (תערובת של חומצות חנקתיות וחומצות הידרוכלוריות ביחס של 1:3), יכול לחמצן אפילו זהב ופלטינה.
חומצה סלנית מרוכזת בעלת תכונות דומות. זה הופך אותו לייחודי בין חומצות אורגניות אחרות. כאשר הוא מדולל, הוא אינו מסוגל ליצור אינטראקציה עם זהב, אך הוא עדיין חזק יותר מחומצה גופרתית, ואף יכול לחמצן חומצות אחרות, כגון חומצה הידרוכלורית.
דוגמה נוספת לחומר מחמצן חזק היא אשלגן פרמנגנט. הוא יוצר אינטראקציה מוצלחת עם תרכובות אורגניות ומסוגל לשבור קשרי פחמן חזקים. תחמוצת נחושת, צזיום אוזוניד, צזיום סופראוקסיד, וכן קסנון דיפלואוריד, טטרפלואוריד וקסנון הקספלואוריד גם הם בעלי פעילות גבוהה. יכולת החמצון שלהם נובעת מפוטנציאל האלקטרודה הגבוה בעת תגובה בתמיסה מימית מדוללת.
עם זאת, ישנם חומרים שבהם הפוטנציאל הזה אפילו גבוה יותר. מבין מולקולות אי-אורגניות, פלואור הוא חומר החמצון החזק ביותר, אך הוא אינו מסוגל לפעול על קסנון הגז האינרטי ללא חום ולחץ נוספים. אבל עם זה מתמודדים בהצלחה על ידי הקספלואוריד פלטינה, דיפלואורדיאוקסיד, קריפטון דיפלואוריד, דיפלואוריד כסף, מלחי כסף דו ערכיים ועוד כמה חומרים. בשל יכולתם הייחודית לבצע תגובות חיזור, הם מסווגים כמחמצנים חזקים מאוד.
Recovery
במקור, המונח "החלמה" היה שם נרדף לדה-אוקסידציה, כלומר מניעת חמצן בחומר. עם זאת, עם הזמן, המילה קיבלה משמעות חדשה, היא פירושה מיצוי של מתכות מתרכובות המכילות אותן, כמו גם כל טרנספורמציה כימית שבההחלק האלקטרונילי של חומר מוחלף ביסוד בעל מטען חיובי, כגון מימן.
מורכבות התהליך תלויה במידה רבה בזיקה הכימית של היסודות בתרכובת. ככל שהוא חלש יותר, כך התגובה מתבצעת בקלות רבה יותר. בדרך כלל, הזיקה חלשה יותר בתרכובות אנדותרמיות (חום נספג במהלך היווצרותן). ההחלמה שלהם די פשוטה. דוגמה בולטת לכך היא חומרי נפץ.
כדי שתהיה תגובה המערבת תרכובות אקסותרמיות (הנוצרות עם שחרור חום), יש להפעיל מקור חזק של אנרגיה, כגון זרם חשמלי.
סוכני צמצום סטנדרטיים
החומר הפחת העתיק והנפוץ ביותר הוא פחם. הוא מתערבב עם תחמוצות עפר, בחימום משתחרר חמצן מהתערובת, שמתחבר עם פחמן. התוצאה היא אבקה, גרגירים או סגסוגת מתכת.
חומר מפחית נפוץ נוסף הוא מימן. זה יכול לשמש גם לכריית מתכות. לשם כך, התחמוצות נסתמות לצינור שדרכו מועבר זרם של מימן. בעיקרון, שיטה זו מיושמת על נחושת, עופרת, פח, ניקל או קובלט. ניתן למרוח אותו על ברזל, אך ההפחתה לא תהיה שלמה ונוצרים מים. אותה בעיה נצפית כאשר מנסים לטפל בתחמוצות אבץ עם מימן, והיא מחמירה עוד יותר על ידי תנודתיות המתכת. אשלגן וכמה יסודות אחרים אינם מופחתים על ידי מימן כלל.
תכונות של תגובות בכימיה אורגנית
בעיצומוחלקיק ההפחתה מקבל אלקטרונים ובכך מוריד את מספר החמצון של אחד האטומים שלו. עם זאת, נוח לקבוע את מהות התגובה על ידי שינוי מצב החמצון בהשתתפות תרכובות אנאורגניות, בעוד שבכימיה אורגנית קשה לחשב את מספר החמצון, לרוב יש לו ערך חלקי.
כדי לנווט בתגובות החיזור המערבות חומרים אורגניים, עליך לזכור את הכלל הבא: הפחתה מתרחשת כאשר תרכובת מוותרת על אטומי חמצן ורוכשת אטומי מימן, ולהיפך, החמצון מאופיין בתוספת חמצן.
לתהליך ההפחתה יש חשיבות מעשית רבה לכימיה אורגנית. הוא זה שעומד בבסיס הידרוגנציה קטליטית המשמשת למטרות מעבדה או תעשייתיות, בפרט, טיהור של חומרים ומערכות מזיהומי פחמימנים וחמצן.
התגובה יכולה להתקדם הן בטמפרטורות ובלחצים נמוכים (עד 100 מעלות צלזיוס ו-1-4 אטמוספרות, בהתאמה), והן בטמפרטורות גבוהות (עד 400 מעלות וכמה מאות אטמוספרות). ייצור של חומרים אורגניים דורש מכשירים מורכבים כדי לספק את התנאים הנכונים.
מתכות אקטיביות מקבוצת פלטינה או ניקל לא יקר, נחושת, מוליבדן וקובלט משמשים כזרזים. האפשרות האחרונה היא חסכונית יותר. השיקום מתרחש עקב ספיגה בו-זמנית של המצע והמימן עם הקלת התגובה ביניהם.
תגובות ההפחתה ממשיכותובתוך גוף האדם. במקרים מסוימים, הם יכולים להיות שימושיים ואפילו חיוניים, במקרים אחרים הם יכולים להוביל לתוצאות שליליות חמורות. לדוגמה, תרכובות המכילות חנקן בגוף מומרות לאמינים ראשוניים, אשר, בין שאר הפונקציות השימושיות, מהווים חומרי חלבון שהם חומר הבניין של רקמות. במקביל, מזון צבוע אנילין מייצר תרכובות רעילות.
סוגי תגובות
איזה סוג של תגובות חיזור, מתברר אם מסתכלים על נוכחות של שינויים במצבי חמצון. אבל בתוך סוג זה של טרנספורמציה כימית, יש וריאציות.
לכן, אם מולקולות של חומרים שונים משתתפות באינטראקציה, שאחת מהן כוללת אטום מחמצן, והשנייה חומר מפחית, הריאקציה נחשבת בין-מולקולרית. במקרה זה, משוואת תגובת החיזור יכולה להיות כדלקמן:
Fe + 2HCl=FeCl2 + H2.
המשוואה מראה שמצבי החמצון של ברזל ומימן משתנים, בעוד שהם חלק מחומרים שונים.
אבל יש גם תגובות חיזור תוך-מולקולריות, שבהן מתחמצן אטום אחד בתרכובת כימית ואחר מופחת, ומתקבלים חומרים חדשים:
2H2O=2H2 + O2.
תהליך מורכב יותר מתרחש כאשר אותו יסוד פועל כתורם ומקבל אלקטרונים ויוצר מספר תרכובות חדשות, הנכללות במצבי חמצון שונים. תהליך כזה נקראשינוי או חוסר פרופורציה. דוגמה לכך היא השינוי הבא:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
מתוך המשוואה שלעיל של תגובת החיזור, ניתן לראות שמלח ברטולט, שבו כלור נמצא במצב חמצון של +5, מתפרק לשני מרכיבים - אשלגן כלורי עם מצב חמצון של כלור -1 ו פרכלוראט עם מספר חמצון של +7. מסתבר שאותו יסוד הגדיל והוריד בו זמנית את מצב החמצון שלו.
היפוך של תהליך ההפיכה הוא התגובה של פרופורציה משותפת או פרופורציה מחדש. בו, שתי תרכובות, המכילות את אותו יסוד במצבי חמצון שונים, מגיבות זו עם זו ויוצרות חומר חדש בעל מספר חמצון יחיד:
SO2 +2H2S=3S + 2H2O.
כפי שניתן לראות מהדוגמאות לעיל, בחלק מהמשוואות, לפני החומר מספרים. הם מראים את מספר המולקולות המעורבות בתהליך ונקראים מקדמים סטוכיומטריים של תגובות חיזור. כדי שהמשוואה תהיה נכונה, אתה צריך לדעת איך לסדר אותן.
שיטת איזון אלקטרוני
האיזון בתגובות החיזור נשמר תמיד. משמעות הדבר היא שהחומר המחמצן מקבל בדיוק כמה אלקטרונים כפי שנמסרו על ידי הגורם המחמצן. כדי להרכיב נכון משוואה לתגובת חיזור, עליך לפעול לפי האלגוריתם הזה:
- קבעו את מצבי החמצון של היסודות לפני ואחרי התגובה. לדוגמה, בתגובה בין חומצה חנקתית לזרחן בנוכחות מים מייצרת חומצה זרחתית ותחמוצת חנקן: HNO3 + P + H2O=H3PO4 + NO. למימן בכל התרכובות יש מצב חמצון של +1, ולחמצן -2. עבור חנקן, לפני תחילת התגובה, מספר החמצון הוא +5, ולאחר שהוא מתקדם +2, עבור זרחן - 0 ו-+5, בהתאמה.
- סמן את היסודות שבהם השתנה מספר החמצון (חנקן וזרחן).
- חבר משוואות אלקטרוניות: N+5 + 3e=N+2; R0 - 5e=R+5.
- שווה את מספר האלקטרונים המתקבלים על ידי בחירת הכפולה המשותפת הפחותה וחישוב המכפיל (המספרים 3 ו-5 הם מחלקים למספר 15, בהתאמה, המכפיל עבור חנקן הוא 5, ולזרחן 3): 5N +5 + (3 x 5)e=5N+2; 3P0 - 15e=3P+5.
- הוסף את חצי התגובות שנוצרו בהתאם לחלק השמאלי והימני: 5N+5 + 3P0=5N + 2 - 15th=3Р+5. אם הכל נעשה נכון בשלב זה, האלקטרונים יתכווצו.
- כתוב מחדש את המשוואה במלואה, תוך הנחת המקדמים לפי האיזון האלקטרוני של תגובת החיזור: 5HNO3 + 3P + H2 O=3H 3PO4 + 5NO.
- בדוק האם מספר היסודות לפני ואחרי התגובה נשאר זהה בכל מקום, ובמידת הצורך הוסף מקדמים מול חומרים אחרים (בדוגמה זו, כמות המימן והחמצן לא השתוותה, כדי את משוואת התגובה כדי להיראות נכונה, עליך להוסיף מקדם לפניהמים): 5HNO3 + 3P + 2H2O=3H3PO 4 + 5NO.
שיטה פשוטה כזו מאפשרת לך למקם נכון את המקדמים ולמנוע בלבול.
דוגמאות לתגובות
דוגמה ממחישה לתגובת חיזור היא האינטראקציה של מנגן עם חומצה גופרתית מרוכזת, המתבצעת באופן הבא:
Mn + 2H2SO4=MnSO4 + SO 2 + 2 H2O.
תגובת החיזור ממשיכה עם שינוי במצבי החמצון של מנגן וגופרית. לפני תחילת התהליך, המנגן היה במצב לא קשור ובעל מצב חמצון אפס. אבל בעת אינטראקציה עם גופרית, שהיא חלק מהחומצה, היא העלתה את מצב החמצון ל-+2, ובכך פעלה כתורם אלקטרונים. גופרית, להיפך, מילאה את התפקיד של מקבל, והורידה את מצב החמצון מ-+6 ל-+4.
עם זאת, יש גם תגובות שבהן מנגן פועל כמקבל אלקטרונים. לדוגמה, זוהי האינטראקציה של התחמוצת שלו עם חומצה הידרוכלורית, המתנהלת לפי התגובה:
MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2 H2O.
תגובת החמצון במקרה זה ממשיכה עם ירידה במצב החמצון של מנגן מ-+4 ל-+2 ועלייה במצב החמצון של כלור מ-1 ל-0.
בעבר, לחמצון תחמוצת הגופרית עם תחמוצת חנקן בנוכחות מים, שיצרו 75% חומצה גופרתית, הייתה חשיבות מעשית רבה:
SO2 + NO2 + H2O=NO + H2So4.
תגובת החיזור התבצעה בעבר במגדלים מיוחדים, והתוצר הסופי נקרא מגדל. כעת שיטה זו רחוקה מלהיות היחידה בייצור חומצה, שכן ישנן שיטות מודרניות אחרות, למשל, מגע באמצעות זרזים מוצקים. אבל להשגת חומצה בשיטת ריאקציית החיזור יש לא רק משמעות תעשייתית, אלא גם היסטורית, שכן זה היה בדיוק תהליך כזה שהתרחש באופן ספונטני באוויר של לונדון בדצמבר 1952.
האנטיציקלון הביא אז מזג אוויר קר יוצא דופן, ותושבי העיר החלו להשתמש בפחם רב כדי לחמם את בתיהם. מאחר ומשאב זה היה באיכות ירודה לאחר המלחמה, התרכזה באוויר כמות גדולה של דו תחמוצת הגופרית, אשר הגיבה עם לחות ותחמוצת חנקן באטמוספרה. כתוצאה מתופעה זו עלתה התמותה של תינוקות, קשישים וסובלים ממחלות בדרכי הנשימה. האירוע קיבל את השם של הערפיח הגדול.
לכן, לתגובות חיזור יש חשיבות מעשית רבה. הבנת המנגנון שלהם מאפשרת לך להבין טוב יותר תהליכים טבעיים ולהשיג חומרים חדשים במעבדה.
