5.3. Окислительно-восстановительные процессы Cтепень окисления. Окисление и восстановление

Окислительно-восстановительные реакции – это реакции, в которых изменяется степень окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ.

Степень окисления- это тот условный заряд, который приобрел бы элемент, если предположить, что он принял или отдал то или иное число электронов.

Для определения степени окисления элемента в соединении пользуются следующими правилами:

• степень окисления элемента в простом веществе равна нулю, например, в металле Cu⁰ или в H₂⁰ ,O₂⁰ ,N₂⁰ ,O₃⁰;

• атомы кислорода в соединениях проявляют степень окисления, равную -2 (исключение составляют OF₂ , где степень окисления равно +2; перекиси, где степень окисления равна -1);

• для водорода степень окисления равна +1 (исключение - гидриды щелочных металлов, где степень окисления равна -1);

• для фтора степень окисления равна -1;

• во всех соединениях атомы металлов имеют только положительную степень окисления. При этом металлы главных подгрупп 1,2,3 групп имеют постоянную степень окисления равную номеру группы;

• алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю, а в сложном ионе равна заряду иона.

Например: определим степень окисления серы в H₂SO₃. Степень окисления водорода равна +1, с.о. кислорода равна -2, тогда степень окисления серы определяется из уравнения 2(+1)+х+3(-2)=0, отсюда х = +4.

Таким образом, можно определить с.о. элемента в любых соединениях.

Степень окисления иногда не совпадает с валентностью. Валентность определяет число связей, образованных данным атомом, поэтому знака не имеет. Степень окисления имеет знак: плюс или минус, который ставится перед числом.

Например: в молекуле аммиака NH₃ валентность азота равна 3, а степень окисления равна -3, в молекуле метана СН₄валентность углерода равна 4, а степень окисления равна -4.

Степень окисления позволяет охарактеризовать химические свойства вещества и определить, будет ли частица отдавать либо принимать электроны.

Если идет переход электронов с орбитали одной частицы на орбиталь другой, то такой процесс называется отдачей электронов или окислением (степень окисления повышается). Присоединение электронов, сопровождающееся понижением степени окисления, называетсявосстановлением.

Частицы, отдающие электроны, называются восстановителями, а частицы, принимающие электроны - окислителями.

Например:

Cl^- - e = Cl⁰

Cl⁰ +Cl⁰ = Cl₂

2Cl^- - 2e^-=Cl₂ - процесс окисления

восстановитель

Cu²⁺+2e=Cu⁰- процесс восстановления

окислитель

В каждой окислительно-восстановительной реакции имеется окислитель и восстановитель.

К типичным восстановителям относятся:

• простые вещества, атомы которых имеют малую электроотрицательность.

Например, металлы и многие неметаллы (водород, углерод);

• отрицательно заряженные ионы неметаллов (S^2-, I^-, Br^-,l^- и др.);

• положительно заряженные ионы металлов в низкой степени окисления ( Fe²⁺, Cr²⁺, Mn²⁺, Cu⁺ и др.).

Только восстановителями могут быть соединения, содержащие элементы в низшей степени окисления, равной (№группы –8) (число электронов, которые атом может присоединить на внешний энергетический уровень)

Окислителями могут быть простые вещества, атомы которых характеризуются высокой электроотрицательностью.

Например: кислород, катионы и анионы, содержащие атомы с высокой степенью окисления - Fe³⁺, Pb⁴⁺, Au³⁺, NO₃^-, SO₄^2-, CrO₄^2-. Соединения, содержащие элементы в высшей степени окисления, равной номеру группы, могут быть только окислителями.

Если же вещество содержит элемент в промежуточной степени окисления, то в зависимости от условий проведения реакции оно может быть и окислителем, и восстановителем.

Например: нитрит калия KNO₂, содержащий азот в степени окисления равной +3, может как принимать электроны, так и отдавать;

пероксид водорода Н₂О_2, содержащий кислород в с.о. равной -1, может быть и восстановителем, и окислителем.

В химических окислительно-восстановительных реакциях окисление и восстановление взаимосвязаны. В ходе реакции восстановитель отдает свои электроны, а окислитель принимает. Число отданных электронов должно быть равно числу принятых электронов.

Классификация окислительно-восстановительных реакций

1. Межмолекулярный окислительно-восстановительный процесс- это процесс, в котором окислители и восстановители являются разными веществами.

Например: 0 0 +4 -2

C+O₂=CO₂

восстановитель окислитель

2. Внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс -это процесс, в котором окислитель и восстановитель представляют атомы одной и той же молекулы.

Например:

-3 +3 0

NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O;

+5 -2 -1 0

2KClO₃ = 2KCl + 3O_2.

3. Реакция диспропорционирования

(самоокисления, самовосстановления)- это процесс, в котором происходит одновременное увеличение и уменьшение степени окисления атомов одного и того же элемента.

Например:

+6 +7 +4

3K₂MnO₄ + 2H₂O = 2KМnO₄ + MnO₂ + 4KOH,

+6

где Мnявляется окислителем и восстановителем.

Характер окислительно-восстановительной реакции зависит от среды, в которой они протекают. Для создания кислой среды используют серную кислоту, а для создания щелочной среды – раствор гидроксида натрия.