Окислительно-восстановительные реакции

(Время на самостоятельную работу – 4 часа)

Окислительно-восстановительные реакции – это химические реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов.

Степень окисления – это кажущийся заряд атома, который возникает при приеме и отдаче электронов.

Если элементы отдают электроны, то они приобретают положительный заряд, если принимают – то отрицательный.

Например: ₊₁₁Na 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ => в сумме 11 электронов. Для завершения внешнего энергетического уровня атому натрия энергетически более выгодно отдать один электрон и превратиться в положительно заряженный ион Na⁺, чем принимать семь электронов.

Степень окисления простых веществ всегда равна нулю.

Например: Na⁰, O₂⁰, P⁰, Al⁰ и т.д.

В соединениях некоторые элементы всегда проявляют постоянную степень окисления. Например: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, H⁺ (исключение Na⁺H^–). Атом кислорода O в соединениях всегда имеет степень окисления минус два, кроме Н₂⁺О₂^- (степень окисления кислорода минус один), F₂^–O⁺² (степень окисления кислорода плюс два). Металлы в соединениях всегда имеют положительную степень окисления.

Большинство элементов имеют переменную степень окисления. Например, азот в соединениях может проявлять степени окисления от минус трех до плюс пяти (N⁺, N⁺², N⁺³, N⁺⁴, N⁺⁵, N^-3). Марганец в соединениях может проявлять степени окисления от плюс двух до плюс семи (Mn⁺², Mn⁺³, Mn⁺⁴, Mn⁺⁵, Mn⁺⁶, Mn⁺⁷).

При определении степени окисления элементов в соединениях пользуются следующими правилами:

1. Практически все неорганические соединения начинаются с элементов с положительной степенью окисления и заканчиваются элементом с отрицательной степенью окисления.

2. В нейтральной молекуле алгебраическая сумма степеней окисления атомов равна нулю.

Например:

Н⁺NO₃^-2 K₂⁺SO₄^–2

+1+х +(-2∙3) = 0; (+1∙2)+х +(-2∙4) = 0;

х = +5. +2+х-8 = 0;

х = +6.

3. Высшая степень окисления элемента равна номеру группы, в которой он находится. Например, хром (Cr) находится в шестой группе, следовательно, высшая степень окисления хрома в соединениях равна + 6.

Исключением является медь, она находится в первой группе, но имеет высшую степень окисления плюс два. Золото также находится в первой группе, но высшая степень окисления его равна плюс три.

4. Низшая степень окисления равна максимальному числу электронов, которые могут быть приняты данным элементом (она вычисляется по формуле «номер группы – 8»). Это правило соблюдается только для неметалов. Для металлов низшая степень окисления равна нулю, так как атомам металлов энергетически выгодно отдавать электроны, а не принимать их.

Например: азот N находится в 5 группе, следовательно, 5 – 8 = -3, низшая степень окисления равна -3 (N^–3H₃⁺).

Окисление – процесс отдачи электронов полностью или частично.

Н₂⁰ - 2e^- → 2H⁺ – окисление молекулы;

Mg⁰ - 2e^- → Mg⁺² – окисление атома;

S^–2 - 2e^- → S⁰ – окисление иона.

Восстановление – процесс принятия электронов полностью или частично.

Cl₂⁰ + 2e^- → 2Cl^– – восстановление молекулы;

S⁰ + 2e^- → S^–2 – восстановление атома;

Mg²⁺ + 2e^- → Mg⁰ – восстановление иона.

Разберем реакцию.

2Zn + O₂ → 2ZnO

Zn⁰ - 2e^- → Zn⁺² 2 окисление.

О₂⁰ + 4e^- → 2O^–2 1 восстановление.

Цинк окисляется, но является восстановителем (т.к. отдает электроны).

Кислород восстанавливается, но является окислителем (т.к. принимает электроны).

К типичным окислителям относятся:

1. Элементы с большим значением электроотрицатальности, такие как F₂, Cl₂, I₂, Br₂, O₂ (у галогенов окислительная способность растет от йода ко фтору).

2. Если элемент с переменной степенью окисления проявляет в соединении высшую степень окисления, то, следовательно, это соединение относится к окислителям.

Например: HN⁺⁵O₃, H₂S⁺⁶O₄, K₂Cr⁺⁶₂O₇ и т.д.

К типичным восстановителям относятся:

1. Атомы металлов (I и II группы, Pb, Sn, все d и f -элементы).

2. Атом водорода практически всегда восстановитель.

3. Соединения, в которых элементы с переменной степенью окисления проявляют низшую степень окисления (KI^–, H₂S^–2 и т.д.).