Окислители и восстановители

Многие вещества обладают особыми свойствами, которые в химии принято называть окислительными или восстановительными. В аквариумных процессах эти вещества играют достаточно важную роль, поэтому мы расскажем о них подробнее.

Что же такое окислитель и восстановитель, окисление и восстановление? Окислительно-восстановительные свойства вещества связаны с процессом отдачи и приема электронов атомами, ионами или молекулами. Окислитель — это вещество, которое в ходе реакции принимает электроны, т. е. восстанавливается; восстановитель — отдает электроны, т. е. окисляется. Рассмотрим такой пример; магний реагирует с кислородом, образуя оксид магния:

2Mg + O₂ = 2MgO

В результате этой реакции металл магний (в целом электронейтральное вещество) переходит в частицы (ионы) с зарядом (степенью окисления) +2. Для всех металлов в соединениях характерна положительная степень окисления.

Кислород из электронейтрального вещества превращается в частицы с зарядом -2. Эти процессы можно записать в виде так называемых электронных уравнений:

Mg⁰ – 2e^‾ = Mg²⁺

О⁰ + 2e^‾ = O^2‾

Отсюда видно, что магний отдает электроны, следовательно, он является восстановителем, который окисляется, а кислород, принимающий электроны (т. е. восстанавливающийся), — окислителем.

Процессы окисления и восстановления воды сопутствуют друг другу, один без другого не может происходить. Поэтому процесс передачи электронов от одних веществ к другим, обычно называют окислительно—восстановительными реакциями. Эти реакции очень распространены в живой природе; они играют существенную роль в процессах, происходящих в аквариуме.

Одни химические вещества проявляют свойства окислителей, другие — восстановителей.

Важнейшими восстановителями являются:

— многие металлы (магний, алюминий, цинк, железо и др.);

— аммиак NH₃ и соли аммония (например, NH₄Cl); — сероводород H₂S и сульфиды (например, Na₂S);

— йодоводородная кислота HI, бромоводородная кислота HBr, соляная кислота HCl и их соли (например, KI, NaBr, CaCl₂);

— тиосульфат (гипосульфит) натрия Na2S2O3;

— сульфит натрия Na2SO3; — пероксид водорода H2O2;

— многие органические вещества: спирты, альдегиды, карбоновые кислоты, углеводороды и др. Важнейшими окислителями являются:

— азотная кислота HNO₃ и нитраты (например, NaNO₃);

— концентрированная серная кислота H₂SO₄;

— галогены: хлор Cl₂, бром Br₂, йод I₂;

— кислород O₂;

— перманганат калия KМnO₄;

— дихромат калия K₂Cr₂O₇;

— пероксид водорода H₂O₂.

Некоторые вещества, например, пероксид водорода H₂O₂, в зависимости от условий могут проявлять свойства как окислителей, так и восстановителей.

Силу окислителей и восстановителей можно сравнить, используя значения электродных (или окислительно-восстановительных) потенциалов.

Значение потенциалов окислительно-восстановительных систем в стандартных условиях (температура 25^oС, концентрация веществ 1 моль/л, нормальное атмосферное давление) приводится в химических справочниках. Рассмотрим в качестве примера систему:

 

МnO4‾ + 8H+  + 5е‾	=	Mn2+ + 4H2O,	Е0 = + 1,52 В.
окислительная форма		восстановительная форма

В этой системе окислительная форма (окислитель) — Это вещество, которое восстанавливается и превращается в восстановительную форму (восстановитель). И наоборот, восстановительная форма может H⁺ быть Окислена до окислительной формы. Ионы показывают, что такая реакция возможна в кислой Среде.

Если сравнить две окислительно-восстановительные системы:

SO42‾ + 2H+  +	2e‾ =	SO32‾ + H2O,	E° = +0,2 В.
окислитель		восстановитель
MnO4‾ + 8H+ +	5e‾ =	Mn2+   + 4H2O,	E° = +1,52В,
окислитель		восстановитель

то в них более сильным окислителем будет тот, система которого имеет более положительный потенциал, т. е. МnO₄‾, а более сильным восстановителем — тот, система которого имеет более отрицательный потенциал, т. е. SO₃²‾. Следовательно, КМnO₄ будет более сильным окислителем, чем K₂SO₄; K₂SO₃ — более сильный восстановитель, чем МnSO₄. Так можно сравнить силу всех окислителей и восстановителей. Если в воде находятся различные окислители и восстановители в смеси, то окислительно-восстановительный потенциал можно определить экспериментально по схеме, изображенной на рис. 7, используя вольтметр с высоким значением входного сопротивления или pH-метр в режиме измерения потенциала. Вместо стеклянного электрода берется платиновый индикаторный электрод, на котором определяется потенциал E_эксп. После измерения надо перейти к значению потенциала по стандартной водородной шкале E_h (относительно стандартного водородного электродa), используя соотношение

Eh = (Eэксп + 0,2) В.

(14)

В аквариумной воде всегда присутствуют как окислители, так и восстановители. К окислителям относятся, например, такие компоненты воды как нитрат-ионы, кислород; к восстановителям — сероводород, аммиак, гуминовые кислоты и многие другие органические соединения. Соотношение тех или иных соединений определяет окислительные или восстановительные свойства воды. Обычно в аквариумной воде несколько преобладают вещества с восстановительными свойствами. Для количественной характеристики окислительно-восстановительных свойств аквариумной воды используется величина rH2. В книгах по аквариумистике ее называют «редокс-потециал». Этот термин некорректен, т. к. потенциал — величина измеряемая в вольтах, а rH2 — безразмерная (как pH). Поэтому величину гH2 следует называть «показатель редокс-потенциала» или «показатель окислительно-восстановительного потенциала».

Для расчета значения показателя rH2 используется уравнение:

rH2  =	2FEh	+ 2 pH = - LgP(H2);	(15)
	2,303RT

где F — постоянная Фарадея (F = 96485 Кл/моль);

R—универсальная постоянная (R = 8,31 Дж • моль‾¹ • К‾¹);

Т — температура по абсолютной шкале (в К);

E_h — экспериментально измеряемое значение окислительно-восстановительного потенциала в воде в В;

pH — водородный показатель;

P(H₂) — парциальное давление водорода в окислительно-восстановительной системе.

Если принять температуру равной 20ºC, то, учитывая значение констант, получим:

rH2  =	Eh	+ 2 pH;	(16)
	0,029

Как видно из формул (15) и (16) показатель rH₂ связан с окислительно-восстановительным потенциалом и учитывает влияние на него кислотности воды в аквариуме.

Для определения значения rH₂ необходимо определить pH и Е_h, как рассмотрено выше. Подробности методики таких измерений будут изложены в третьем разделе книги.

Считается, что шкала rH₂ изменяется в пределах от 0 до 42. Так, в природных водоемах показатель окислительно-восстановительного потенциала принимает значение от 26 до 32, в аквариумной воде — от 28 до 31. Значение rH₂ оказывает существенное влияние на жизнедеятельность аквариумных организмов. На рис. 10 показаны оптимальные интервалы значений rH₂ для некоторых аквариумных растений.