3. Окислительно-восстановительные реакции – классификация.

На основании степени окисления элементов в продуктах реакции и ис­ход­ных веществах химические реакции разделяют на два класса – реакции, проте­ка­­ющие без изменения степени окисления элементов, к которым относятся и рассмот­рен­ные выше ионообменные реакции, и окисли­тельно-восстановительные (редокс¹⁷) реакции.

В ходе любой окислительно-восстановительной реакции совместно протека­ют два про­тиво­по­ложных процесса – окисления одного компонента, сопровож­да­ющееся по­вышением степени окисления элемента в его составе в результате удаления элект­ро­нов, и вос­ста­новление дру­гого компонента, сопровождаю­щи­еся понижением степени окис­ле­ния элемента в его составе вследствие присо­е­ди­нения электронов. Например, в реак­ции взаимодействия диокси­дов серы и се­лена:

2SO₂ + SeO₂ = 2SO₃ + Se

можно выделить два сопряженных процесса - диоксид серы окисляется в три­ок­сид се­ры, что сопровождается повышением степени окисления серы в резуль­та­те удаления электронов, а диоксид селена восстанав­ли­ва­ет­ся в свободный селен с понижением сте­пени окисления селена и присоединением элек­т­ронов:

2S⁺⁴ - 4e^- = 2S⁺⁶ (процесс окисления)

Se⁺⁴ + 4e^- = Se⁰ (процесс восстановления)

Два уравнения, описывающие сопряженные процессы окисления и восста­нов­ле­ния, суммарной окислительно-восстановительной реакции называются урав­не­­ниями полуреакций. Очевидно, что в соответствии с законом сохранения за­ря­дов, чис­ло электронов в процессе окис­ления равно числу электронов в про­цес­се восстановления.

Соединение, окисляющееся в ходе окислительно-восстановительной реак­ции, на­зы­вается восстановителем, а восстанавливающееся – окислителем. Так, в реакции ди­оксидов серы и селена – восстановителем является диоксид серы, а окислителем диоксид селена. В уравнении редокс реакций для указания окислительно-восста­но­ви­тель­ных функций компонентов иногда используют спе­циальные обозначения – “Red” для восстановителя и “Ox” для окислителя:

2SO_{2 (Red)} + SeO_{2 (Ox)} = 2SO₃ + Se

В рассмотренной реакции в роли окислителя и восстановителя выступают разные соединения – диоксид селена и диоксид серы. Такие редокс реакции на­зы­вают ре­ак­ци­ями межмолекулярного окисления-восстановления. Особой раз­но­видностью меж­мо­лекулярных редокс реакций являются реакции конпропор­ци­онирования (конмута­ции), в которых носителем окислительно-восстано­ви­тель­ных свойств яв­ляет­ся один эле­мент, входящий в состав как окислителя, так и восстановителя:

2KMnO_{4 (Ox)} + 3MnSO_{4 (Red)} + 2H₂O = 5MnO₂ + K₂SO₄ + 2H₂SO₄

В результате редокс процесса Mn⁺⁷, входящий в состав KMnO₄, восста­нав­ли­ва­ет­ся, а Mn⁺² из MnSO₄ окисляется до Mn⁺⁴ с образованием диоксида мар­ган­ца(IV).

Наряду с межмолекулярными, в соответствии со стехиометрическим урав­не­ни­ем редокс реакциями могут быть отнесены к внутримолекулярному типу¹⁸:

(N^(-3)H₄)₂Cr⁽⁺⁶⁾₂O₇ = N₂⁰ + Cr⁽⁺³⁾₂O₃ + 2H₂O

В этом случае окисляющийся (N^-3 + 3e^-N⁰) и восстанавливающийся (Cr⁺⁶ –3e^-Cr⁺³) элементы входят в состав одного соединения. Особой разновидностью внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ных редокс реакций являются реакции диспропорци­ониро­ва­ния (дисмутации), в ко­торых роль окислению и восстановлению подвергается один и тот же элемент:

2N⁽⁺⁴⁾O₂ + 2NaOH = NaN⁽⁺⁵⁾O₃ + NaN⁽⁺³⁾O₂ + H₂O

Упражнения:

88. Напишите окислительно-восстановительные уравнения полу­реак­ций для пе­реходов меж­ду соединениями азота и установите характер процесса – окис­ле­ние или восстановление азота: 1. NH₃  N₂, 2. HNO₃HNO₂, 3. N₂H₄  N₂, 4. NH₂OHNH₃, 5. NO₂NO₃^-.

89. Для следующих реакций определить соединения - окислитель и восста­но­ви­тель и для элементов, определяющих их окислительно-восстано­ви­тель­ные функции, написать уравнения полуреакций:

1. SO₂ + Br₂ + 2H₂O = 2HBr + H₂SO₄; 2. Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂; 3. Cu + 2H₂SO₄= CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O; 4. 3I₂ + 6KOH= KIO₃+ 5KI + 3H₂O

92. Классифицируйте редокс реакции:

1. 4KMnO₄ + 4KOH = 4K₂MnO₄ + O₂ + 2H₂O

2. H₂SO₃ + 2H₂S = 3S + 3H₂O

3. NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O

4. 4P + 3KOH + 3H₂O = PH₃ + 3KPH₂O₂

5. 2H₂O₂ = 2H₂O + O₂

6. 2AgNO₃ = 2Ag + 2NO₂ + O₂

7. 2K₄[Fe(CN)₆] + Br₂ = 2K₃[Fe(CN)₆] + 2KBr