Окисление и восстановление
Окисление
Когда мы зажигаем свечу или заводим автомобиль, мы используем процессы горения. Горение всегда представляет собой соединение какого-либо вещества с кислородом.
Углерод (в бензине или древесине) горит по уравнению:
С + О2 => СО2
Окислением, от латинского названия кислорода (oxygenium), называют процесс, при котором кислород образует соединения. Основу связи с кислородом представляют реакции присоединения электронов: в химии ее называют в настоящее время «передачей электрона». Реакции с участием кислорода протекают, конечно, не только как очевидные реакции горения. Как мы видели в главе «Вода как растворитель», многие природные поверхностные воды, особенно вблизи водного зеркала, содержат много кислорода, и этот кислород служит не только для дыхания всех водных животных, но и принимает участие в определенных химических процессах. Представьте себе, например, такое токсичное для всех животных вещество, как аммиак (NH3). Это вещество изменяется под действием кислорода:
NH3 + О2 => HNO + H2O
По этой реакции азот образует соединение с кислородом. При этом кислород вытесняет из аммиака водород (H). Процесс соединения с кислородом называется окислением. Во всех процессах окисления важнейшую роль играют электроны. В вышеописанных реакциях атом кислорода забирает два электрона у атома азота, в то время как атом азота отдает четыре электрона. Это только пример того, что принципиально определяет процессы окисления как процесс отдачи электронов.
Кислород – важнейший окислитель в природе. Существуют более сильные окислители, но они не играют в природе большой роли. Технические окислители представлены фтором, хлором, перекисью водорода (H2O2). В аквариумной технике из окислителей применяются только озон и перекись водорода, т. к. при разложении ила они не образуют никаких биологически опасных веществ.
Восстановление
Вместе с окислением протекает также противоположный процесс. Мы знаем о нем из техники получения металлов, которые в природе, как правило, встречаются в виде оксидов.
При получении чистых металлов необходимо вытеснить кислород из оксида металла. Однако это можно осуществить при помощи веществ, которые с кислородом реагируют активнее, чем с металлом:
Fe2O3 + 3CO => 2Fe + 3CO2
В этом случае углерод взаимодействует с кислородом окисла железа, и оно восстанавливается. Итак, процесс отдачи кислорода, противоположный окислению, называют восстановлением. Если вещество восстанавливается, то при этом принимает электроны. В качестве восстановителей, присутствующих в воде, конечно, прежде всего, надо назвать органические вещества, которые образуются как продукты распада, как остатки корма, кала и мертвых растений. Они, как правило, содержат много белка и приводят к очень большому потреблению кислорода. При неблагоприятных условиях эти вещества могут образовывать бескислородные зоны, особенно в малопроточных областях фунта. В первом примере атом азота отдал электроны, он окислился. Атом кислорода забрал электроны, следовательно, он восстановился. Во втором примере железо восстановилось с помощью монооксида углерода, но монооксид углерода сам вступил в соединение с кислородом, следовательно, он окислился. На этих примерах становится ясно, что процессы окисления всегда идут с процессами восстановления и всегда сопровождаются переходом электронов. Эти связи очень напоминают механизм изменения значений pH. Когда протоны при реакциях с изменением pH забирают или отдают электроны, подразумеваются электроны в процессах восстановления.
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП)
Так как окислительно-восстановительные реакции зависят друг от друга, они имеют собственные названия. Их называют окислительно-восстановительными. В природных водах, как правило, находятся окисляющие вещества, большей частью кислород и восстанавливающие вещества, а именно органические соединения в корме или экскрементах.
Если представить отношение окисляющих веществ к восстанавливающим, то у водной поверхности преобладали бы окислители, а у грунта – восстановители. Подобное отношение, естественно, нельзя измерить приборами. Но, как мы видели выше, окисление и восстановление протекает посредством перехода электронов. Там, где двигаются электроны, возникает электрическое напряжение, которое через определенный чувствительный датчик (окислительно-восстановительный электрод) подается на измерительный прибор и дает показания. Чистые природные воды характеризуется окислительно-восстановительным потенциалом 200 мВ, при экстремальной фации – до 300 мВ. Таблица на странице 45 показывает спектр различных окислительно-восстановительных потенциалов в связи с условиями жизни аквариуме. Технические и химические вспомогательные средства позволяют нам сегодня целенаправленно регулировать окислительно-восстановительный потенциал. Это имеет смысл, если нужно моделировать естественные процессы, которые не протекают в аквариуме или представлены незначительно. Избыточное повышение окислительно-восстановительного потенциала создает чистоту в аквариуме, но не всегда пригодно нашим животным. Об основных принципах техники, измерениях окислительно-восстановительного потенциала будет в деталях изложено в главе об измерительной технике.
|
|
|
|
