Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительными реакциями называют химические процессы, которые сопровождаются переносом электронов от одних молекул, атомов или ионов к другим.

Для оценки состояния атома в веществе и его способности образовывать химические связи пользуются понятием «степень окисления».

Степенью окисления называется условный заряд атома в веществе, который находят, условно считая все химические связи в соединении ионными.

Направление смещения электронной пары каждой связи и, следовательно, заряд определяют по разности электроотрицательности элементов, образующих эту связь (см. «Электроотрицательность»). Степень окисления элемента указывают вверху над символом элемента со знаком « + » или «-» перед цифрой. Знак «-» указывает, что электронные пары смещены к этому элементу и, наоборот, знак « + » обозначает смещение электронных пар от элемента. Например, в молекуле Н:Вг электронная пара смещена к более электроотрицательному элементу брому (Вг), поэтому над химическим символом брома стоит цифра -1, а у водорода +1.

Сумма степеней окисления всех атомов в соединении должна быть равна нулю (молекула всегда электронейт- ральна):

В молекулах простых веществ, где атомы имеют одинаковую электроотрицательность, электронная пара не смещена ни к одному из атомов и их степень окисления равна нулю. Например, в молекулах водорода (Н2) и кислорода (02) степени окисления равны нулю:

Некоторые атомы проявляют постоянную степень окисления. Например, степень окисления щелочных металлов (Li, Na, К) в соединениях равна +1, у магния, кальция, бария, цинка — +2, у алюминия--1-3. Водород в большинстве соединений проявляет степень окисления (с. о.) +1, кроме гидридов металлов, где он проявляет с. о. —1, например:

Кислород в большинстве соединений проявляет с. о. равную -2, лишь в пероксидных соединениях -1 (табл. 7).

Большинство других атомов химических элементов проявляют переменные степени окисления. Например, в различных соединениях азот может проявлять степени окисления от -3 до +5:

Таблица 7

Валентности и степени окисления атомов в некоторых соединениях

Формула

молекулы

Атом в составе молекулы

Валентность

Степень

окисления

О

2(11)

0

О

2(11)

-2

С

4 (IV)

+4

с

4 (IV)

-4

N

3 (III)

0

N

3 (III)

-3

N

3 (III)

+3

N

4 (IV)

+5

Значение -3 является наименьшей, а +5 — наибольшей степенью окисления атома азота.

Степень окисления атомов с переменной степенью окисления определяется по атомам с постоянной степенью окисления с учётом числа этих атомов в составе молекулы и их электроотрицательности. Необходимо также помнить, что сумма всех степеней окисления в молекуле равна нулю. Например, Н3Р04:

Степень окисления атома фосфора в Н3Р04 равна +5.

В молекуле сульфата калия атомы кислорода и калия проявляют постоянные степени окисления. По этим атомам можно рассчитать степень окисления атома серы. Она равна +6.

Необходимо отметить, что нельзя отождествлять степень окисления с валентностью элемента. Валентность определяется числом неспаренных электронов в атоме, принимающих участие в образовании химических связей. Она также равна числу связей, которыми данный атом соединён с другими атомами. Валентность не может равняться нулю и не имеет знака «+» или «-». Степень окисления, наоборот, может иметь как положительные, так и отрицательные и нулевые значения.

Атомы в процессе окислительно-восстановительных реакций могут терять или приобретать электроны и изменять свои степени окисления.

В реакции

степень окисления изменяется у кислорода и углерода, причём углерод отдаёт электроны, а кислород их принимает.

В реакции

цинк отдаёт два электрона, а два атома водорода принимают их и превращаются в молекулярный водород.

В этой реакции атом хлора не меняет степень окисления и поэтому её значение не указывается в уравнении.

Процесс отдачи электронов атомом называется окислением. В приведённых выше примерах окисляются углерод и цинк:

Вещества, которые принимают электроны, называются окислителями.

Процесс присоединения электронов называется восстановлением. Например,

Вещества, которые отдают электроны называются восстановителями. Таким образом в окислительно-восстановительных реакциях восстановитель окисляется, а окислитель восстанавливается. При восстановлении степень окисления атомов уменьшается, а при окислении — увеличивается (схема 5).

Схема 5

Процессы окисления всегда сопровождаются процессами восстановления, и наоборот. Число электронов, отданных в реакции восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем:

К наиболее типичным окислителям относят следующие группы веществ:

  • 1) простые вещества — неметаллы, атомы которых имеют большую электроотрицательность (э. о. > 3,0), например F2 (э. о. 4,0), С12 (э. о. 3,0), 02 (э. о. 3,5);
  • 2) катионы металлов в высоких степенях окисления и катион водорода — Ag+, Cu2+, Н+;
  • 3) . вещества, в состав которых входят элементы с высокими степенями окисления, среди них: оксиды металлов — Мп02, Мп207, Сг03, РЬ02; кислородсодержащие кислоты — HN03, H2S04, НМп04, НСЮ, НС103, НС104; соли — К2Сг04, К2Мп04, КСЮ, КС103, КС104.

К наиболее типичным восстановителям относят следующие группы веществ:

  • 1) все металлы;
  • 2) некоторые неметаллы с низкой электроотрицательностью (Н2, С, Si, В);
  • 3) вещества, в состав которых входят элементы с низкими степенями окисления, среди них: оксиды неметаллов (СО, NO, S02), кислородсодержащие кислоты (H2S03, HN02, Н3Р03), соли, в которых металлы находятся не в высших степенях окисления (FeS04, Cr2(S04)3, MnS04), соли кислородсодержащих кислот (Na2S03, NaN02, Na3P03), бескислородные кислоты (H2S, HCI, HBr, HI) и их соли;
  • 4) аммиак.

Атом в высшей степени окисления, когда отданы все валентные электроны, может быть только окислителем, например атом серы в серной кислоте (H2S04). Атом в низшей степени окисления, когда все орбитали заполнены электронами, может быть только восстановителем, например атом серы в сероводороде (H2S). Вещества, содержащие атомы в промежуточных степенях окислениях, способны как повышать, так и понижать степени окисления, т. е. выступать как в качестве восстановителей, так и окислителей (Н202, S, KN02 и др.).

Окислительно-восстановительные реакции подразделяют на три группы: межмолекулярные и внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции, а также реакции диспропорционирования.

1. В межмолекулярных реакциях атомы окислителя и восстановителя находятся в составе разных исходных веществ, например:

2. Во внутримолекулярных реакциях атомы, изменяющие степени окисления, находятся в составе одного вещества, например:

3. В реакциях диспропорционирования окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же химического элемента в одной степени окисления, находящиеся в составе одной молекулы. Эти реакции также называют реакциями самоокисления-самовосстановления. Например:

При составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций можно пользоваться двумя методами: методом электронного баланса и ионно-электронным методом (метод полуреакций).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >