Направление протекания окислительно-восстановительных реакций

В основе определения направления самопроизвольного про­текания окислительно-восстановительных реакций лежит сле­дующее правило:

Окислительно-восстановительные реакции самопроизволь­но протекают всегда в сторону превращения сильного окис­лителя в слабый сопряженный восстановитель или силь­ного восстановителя в слабый сопряженный окислитель.

Это правило аналогично правилу, определяющему направление протекания кислотно-основных превращений.

Количественной мерой окислительно-восстановительной способности данной сопряженной окислительно-восстановительной пары является вели­чина ее восстановительного потенциала ф, которая зависит от:

- природы окисленной и восстановленной формы данной сопряжен­ной пары;

- соотношения концентраций окисленной и восстановленной фор­мы данной сопряженной пары;

- температуры.

В тех случаях, когда в процессе превращения окислителя или восстановителя участвуют ионы Н⁺ или ОН-, (р зависит также и от рН раствора. Значение, которое принимает ф при стандартных ус­ловиях: концентрация всех компонентов, участвующих в реакции, включая ионы воды Н⁺ (в кислой среде) и ОН- (в щелочной среде), равна 1 моль/л, температура 298 К, - называется стандартным восстановительным потенциалом и обозначается (ф°. Величина ф° является количественной характеристикой окислительно-восста­новительных свойств данной сопряженной окислительно-восста­новительной пары при стандартных условиях.

Способа определения абсолютного значения потенциалов для сопряжен­ных окислительно-восстановительных пар не существует. Поэтому пользу­ются относительными величинами (разд. 25.2), характеризующими потен­циалы сопряженных пар относительно эталонной пары потенциал которой при стандартных условиях принят условно равным нулю

Положительное значение ф° имеют окислительно-восстановительные пары, в которых окисленная форма присоединяет электроны легче, чем катион водорода в эталонной паре. Отрицательное значение ф° имеют окислительно-восстановительные пары, в которых окисленная форма при­соединяет электроны труднее, чем Н+ в эталонной паре. Следовательно, чем больше (т. е. положительнее) значение ф° данной сопряженной окисли­тельно-восстановительной пары, тем сильнее выражены ее окислительные свойства, а восстановительные свойства - соответственно слабее.

В табл. 9.1 приведены стандартные значения потенциалов некоторых сопряженных окислительно-восстановительных пар.

В условиях, отличных от стандартных, величина ф рассчиты­вается по уравнению Нернста (разд. 25.2, 25.3).

Суть окислительно-восстановительных реакций заключается в конкуренции за присоединение электрона между участвую­щими окислителями. При этом электрон присоединяет та со­пряженная пара, окисленная форма которой сильнее его удер­живает. Это отражает следующая схема: *

Сопоставляя потенциалы сопряженных пар, участвующих в окислительно-восстановительной реакции, можно заранее опре­делить направление, в котором будет самопроизвольно проте­кать та или иная реакция.

При взаимодействии двух сопряженных окислительно-вос­становительных пар окислителем всегда будет окислен­ная форма той пары, потенциал которой имеет более по­ложительное значение.

Пример. В реакционной смеси содержатся две сопряженные окислительно-восстановительные пары:

Так как первая пара содержит более сильный окислитель (I2), чем вторая пара (S), то в стандартных условиях самопроизвольно пойдет реакция, в которой окисли­телем будет I2, а восстановителем

Для определения направления окислительно-восстановитель­ной реакции можно также пользоваться величиной ее ЭДС.

ЭДС окислительно-восстановительной реакции в стандарт­ных условиях (Е°) численно равна разности стандартных потенциалов сопряженных окислительно-восстанлвительных пар, участвующих в реакции:

Условием самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакиии является положительное зна­чение ее ЭДС, т. е.

С учетом этого условия для самопроизвольно протекающей окислительно-восстановительной реакции значение ф окисли­тельно-восстановительной пары, выступающей окислителем, должно быть больше ф второй окислительно-восстановительной пары, играющей роль восстановителя в данной реакции. Так, в рассмотренном выше примере:

Если Е° = 0, то равновероятно протекание окислительно-востановительной реакции как в прямом, так и в обратном на­правлении, и это является условием возникновения химическо­го равновесия для окислительно-восстановительного процесса. Количественной характеристикой протекания любых обратимых процессов является константа равновесия К, которая связана с изменением стандартной энергии Гиббса (разд. 5.5) следующим соотношением:

С другой стороны, изменениестандартной энергии Гиббса свя­зано с ЭДС окислительно-восстановительной реакции соотношением:

где F = 96 500 Кл/моль; z - число электронов, принимающих участие в элементарном процессе.

Из этих двух уравнении следует:

Пользуясь этими выражениями, можно рассчитать константу равновесия любой окислительно-восстановительной реакции, но реальное значение она будет иметь только для тех реакций, ЭДС которых менее 0,35 В, так как при больших ЭДС реакции рассматриваются как практически необратимые. Поскольку ЭДС отдельных стадий окислительно-восстановительных реак­ций, протекающих в живых системах, обычно не превышает 0,35 В (| Е° | < 0,35 В), то большинство из них практически об­ратимы, причем обратимость процесса выражена тем сильнее, чем величина | Е° | ближе к нулю.

Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе ме­таболизма любых организмов. В случае аэробного метаболизма основным окислителем является молекулярный кислород, посту­пающий в процессе дыхания, а восстановителем - органические соединения, поступающие с продуктами питания. При анаэроб­ном метаболизме в его основе лежат преимущественно окисли­тельно-восстановительные реакции, в которых и окислителями, и восстановителями являются органические соединения.