Окисление: понятие, виды, значение¶

Окисление — это химический процесс, в котором вещество отдаёт электроны, что сопровождается повышением степени окисления атома или иона. В более широком смысле под окислением понимают любую реакцию, сопровождающуюся присоединением кислорода к другому элементу. Обратный процесс — присоединение электронов — называется восстановлением; вместе они образуют единую систему окислительно-восстановительных реакций (окислительно-восстановительные реакции, ОВР).

¶История понятия

Представления об окислении сформировались в конце XVIII века. Антуан Лавуазье, изучая горение и роль кислорода в нём, показал, что горение — это реакция вещества с кислородом. Отсюда и произошёл термин: первоначально «окислением» называли именно присоединение кислорода.

С развитием теории электронных теорий химии в конце XIX — начале XX века (работы Вильгельма Оствальда, Вальтера Нернста, а затем и русских учёных) стало ясно, что сущность окисления — не в кислороде как таковом, а в переходе электронов от одного вещества к другому. Так появилось современное электронное определение: окисление — это процесс отдачи электронов.

¶Электронное определение

В современной химии окислением считают процесс, в котором атом, ион или молекула теряют электроны. В результате:

• возрастает степень окисления атома (число условных положительных зарядов, приписываемых атому в молекуле);
• вещество-окислитель принимает электроны и одновременно восстанавливается.

Пример классической реакции:

`` 2Mg + O₂ → 2MgO ``

Магний отдаёт два электрона на каждый атом и переходит из степени окисления 0 в +2. Кислород, принимая электроны, переходит из 0 в −2. Таким образом, в одной реакции одновременно идёт окисление магния и восстановление кислорода — эти процессы неразделимы.

¶Окислители и восстановители

Вещество, которое отдаёт электроны, называют восстановителем (оно окисляется). Вещество, принимающее электроны, — окислителем (оно восстанавливается). Примеры сильных окислителей: кислород O₂, озон O₃, перманганат калия KMnO₄, хромовая смесь, азотная кислота HNO₃. Примеры восстановителей: щелочные и щёлочноземельные металлы, водород H₂, иодид-ион I⁻, сульфит-ион SO₃²⁻.

¶Виды окисления

По характеру среды различают:

• Окисление в кислой среде — протекает с участием ионов водорода H⁺, типичный пример — реакция перманганата калия с сульфатом железа(II) в сернокислой среде.
• Окисление в щёлочной среде — идёт в присутствии гидроксильных ионов OH⁻.
• Окисление в нейтральной среде — например, ржавление железа во влажном воздухе.

По типу реагирующих частиц:

• Электрохимическое окисление — на электроде при прохождении тока (анодный процесс в гальванических элементах и электролизёрах).
• Химическое окисление — обычная реакция между окислителем и восстановителем.
• Фотоокисление — под действием света, например разложение пероксида водорода на свету.
• Биологическое окисление — окислительные процессы в живых организмах, в частности в дыхательной цепи переноса электронов в митохондриях.

¶Окислительно-восстановительные реакции

Окисление всегда сопровождается восстановлением — электрон, отданый одним веществом, обязательно переходит к другому. Поэтому в школьной и вузовской химии говорят об ОВР. Балансы электронов составляют методом электронного баланса: число отданных электронов должно равняться числу принятых.

Пример (реакция цинка с ионами меди(II)):

`` Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu ``

Цинк окисляется (0 → +2), ионы меди восстанавливаются (+2 → 0).

¶Окисление в природе и быту

Окислительные процессы повсеместны. К ним относятся:

• Коррозия металлов — окисление металлов кислородом воздуха и влагой. Ржавление железа — один из наиболее изученных примеров.
• Горение — быстрое окисление с выделением тепла и света.
• Гниение и брожение — биологические окислительные процессы.
• Старение — медленное окисление полимеров, масел, пищевых продуктов под действием кислорода. Именно поэтому антиоксиданты добавляют в продукты и материалы.

¶Роль в живых организмах

В клетках окисление — основной источник энергии. Окислению глюкозы и других субстратов в дыхательной цепи сопровождается синтез АТФ. В норме в клетках образуются активные формы кислорода (супероксид-анион O₂⁻, перекись водорода H₂O₂, гидроксильный радикал OH·), которые при избыточном накоплении повреждают белки, липиды и ДНК. Для нейтрализации этих частиц в организме работают ферменты-антиоксиданты: супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза.

¶Применение

Окислительные реакции используют в металлургии (получение металлов из руд), в электрохимии (батареки, электролиз), в аналитической химии (окислительно-восстановительное титрование), в органическом синтезе (получение кислот, альдегидов, спиртов), в пищевой промышленности (консервирование) и в медицине (антисептики, такие как перекись водорода и перманганат калия).

¶Источники

• Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы.
• Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. 10–11 класс.
• Глинка Н. Л. Общая химия.
• Лайдон Д., Лайдон Л. Введение в современную химию.