Этот вопрос относится к области окислительно-восстановительных реакций (ОВР), которые являются одним из фундаментальных типов химических реакций. Рассмотрим уравнение реакции:
[ \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 ]
1. Определение ОВР:
Окислительно-восстановительные реакции — это химические реакции, в которых происходит перенос электронов между реагентами, что приводит к изменению степеней окисления атомов.
2. Анализ реакции:
В данном уравнении углерод (С) реагирует с молекулярным кислородом (O₂), образуя углекислый газ (CO₂).
3. Определение степеней окисления:
- Углерод (С) в элементарном состоянии имеет степень окисления 0.
- Кислород (O₂) в молекулярной форме также имеет степень окисления 0.
- В углекислом газе (CO₂) углерод имеет степень окисления +4, а каждый атом кислорода — -2.
4. Изменение степеней окисления:
- Углерод изменяет свою степень окисления с 0 до +4, то есть он теряет 4 электрона. Это процесс окисления.
- Кислород изменяет свою степень окисления с 0 до -2, то есть каждый атом кислорода принимает 2 электрона. В сумме два атома кислорода принимают 4 электрона. Это процесс восстановления.
5. Полуреакции:
Теперь можно записать полуреакции для окисления и восстановления:
Окисление углерода (С):
[ \text{C} \rightarrow \text{C}^{+4} + 4e^- ]
Восстановление кислорода (O₂):
[ \text{O}_2 + 4e^- \rightarrow 2\text{O}^{-2} ]
6. Суммарная реакция:
Суммируя полуреакции, получаем полное уравнение:
[ \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 ]
7. Энергетический аспект:
Эта реакция является экзотермической, что означает, что в ходе реакции выделяется энергия. Именно поэтому процесс горения углерода в кислороде сопровождается выделением большого количества тепла.
8. Применение и значение:
- Такие реакции имеют большое значение в энергетике, так как горение углерода (в виде угля, например) используется для производства энергии.
- В биологических системах, окисление органических молекул (включая углерод) до CO₂ является частью метаболических процессов, таких как клеточное дыхание, что обеспечивает организм энергией.
Таким образом, реакция ( \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 ) является типичным примером окислительно-восстановительной реакции, где углерод окисляется, а кислород восстанавливается, сопровождаясь выделением энергии.