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 қа-тыспайтын реакциялардың да Тотығу-тотықсыздану реакциялар 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 коэффиценттер 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 құ-рады. 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. Мыс., +H2OHCl1+HO+1Cl 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 стехиометр. коэффицеттерін табудың бұлардан басқа А.Гарсиа, электронды баланс, матем. әдістері де бар. Химияда Тотығу-тотықсыздану реакциялар өте көп таралған. Мысалы, аммиак, азот қышқылы, күкірт қышқылын алу, электролиз (анодта электрхимиялық тотығу, катодта электрхим. 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 H₂S, күкірт қышқылы H₂SО₄, күкірт (VI) оксиді SО₃, күкіртті қышқыл H₂SО₃, күкірт (IV) оксиді SО₂. 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 (H₂S), +4 (H₂SО₃, SO,), +6 (H₂SО₄, SО₃) 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 электртерістілігі басым болса, оның тотықтырғыштық, ал төмен болса тотықсыздандырғыштық қасиеті жоғары болады.

Электрондық баланс әдісі

Электрондық баланс әдісі бастапқы реагенттер мен  соңғы өнімдердің құрамындағы элементтер атомдарының тотығу дәрежелерін салыстыруға негізделген.

NH₄SCN + KMnO₄ + H₂SO₄→ MnSO₄ + N₂ +CO₂ + K₂SO₄ +H₂O

Тотықсыздану :     Mn⁺⁷ +5e → Mn⁺² | 14

Тотығу :              2N^-3 -6e → N₂⁰ | 5

Тотығу :                 S^-2 -8e → S⁺⁶ | 5

14 Mn⁺⁷ +10N^-3  +5 S^-2  → 14 Mn⁺²   +5 N₂⁰ + 6 S⁺⁶5NH₄SCN+14KMnO₄+16H₂SO₄→14MnSO₄+5N₂+5CO₂+7K₂SO₄ +26H₂O

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:

КМnО₄+Н₂SО₄+Nа₂SО₃ → МnSО₄+Nа₂S0₄+К₂SО₄+Н₂О

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 KMnO₄ + H₂SO₄ + Nа₂SО₃ →  MnSO₄ + Na₂SO₄ + K₂SO₄ +   H₂O

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 саньна 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 тендеуін аламыз:

2Мn⁺⁷+5S⁺⁴= 2Мn⁺²+5S⁺⁶

6. Қысқаша иондық тендеудегі әр бөлшектің алдындағы коэффициентті толық молекулалық тендеудегі сол бөлшектерге сәйкес заттардың алдына апарып қоямыз:

2КМnО₄+5Nа₂SО₃+3H₂SO₄ = 2MnSO₄ +5Na₂SO₄ + K₂SO₄+3H₂O

7. Тотығу және тотықсыздану үрдістеріне тікелей қатынаспайтын элементтерді теңестіреміз. Ол үшін алдымен металл атомдарын, содан кейін қышқыл қалдықтарын, ең соңында сутека томдарын, оның алдында оттек атомдарын теңестірген ыңғайлы:

2КМnО₄+5Nа₂SО₃ +3H₂SO₄ =2MnSO₄ +5Na₂SO₄ + K₂SO₄+3H₂O

Электрондық баланс әдісінің С. Дорожкин мен И.Сирота ұсынған  нұсқасы

Оның негізгі идеясы мынада: тотықсыздандыргыштың құрамына кіретін элементтерді жай заттар ретінде қарастырады, ягни тотықсыздандырғыштың құрамына кіретін элементтердің тотығу дәрежелерін шартты түрде нөлге тең деп алады. Әрі қарай — кәдімгідей.

Мысалы:

1.Пиритті өртеу реакциясы:

FeS₂ + O₂ → Fe₂O₃ +SO₂↑

Пиритті жай зат атомдарының қоспасы ретінде қарастырсақ:

FeS₂ = Fe⁰ + 2S⁰

Бұдан әрі теңестіруді кәдімгідей жалғастыруға болады:

Тотығу:     Ғе° — 3е → Ғе⁺³4

2S⁰ -8е → 2S⁺⁴4

Тотықсыздану:   О₂ + 4 ё →2О^-2    │11

4Ғе° + 8S°+ 11О₂→ 4Ғе⁺³+ 8S⁺⁴+ 22O^-24

2O^-2 атомдарын Ғе₂О₃ және SО₂ молекулаларына бөліп жазып, молекулалық тендеуге көшсек:

4 FeS₂ + 11O₂ →2 Fe₂O₃ +8SO₂

2. +6        0       +4        +6     +1

NH₄SCN + KMnO₄ + H₂SO₄→ MnSO₄ + N₂ +CO₂ + K₂SO₄ +H₂O

Тотығу: S⁰+6e →S⁺⁶5

H⁰ -4e → 4H⁺¹ │5

C⁰ -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 тендеуге апарып қойсақ:

5NH4SCN +14 KMnO4 + H2SO4→ 14MnSO4 + 5N2 +5CO2 + K2SO4 +H2O

Қалған коэффициенттерді теңдеудің екі жағында атомдар саны теңесетіндей етіп таңдаймыз:

5NH4SCN+14KMnO4+16H2SO4→14MnSO4+5N2+5CO2+ 7K2SO4 +26H2O

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 Н₂О 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.