8. Окислительно-восстановительные процессы

8.1 Окислительно-восстановительные реакции

8.1.1. Степень окисления элементов

Во многих химических реакциях происходит перемещение электронов от одних частиц к другим. Такие реакции называют окислительно-восстановительными (ОВР).

Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления.

Число электронов, смещенных от атома данного элемента или к атому данного элемента, называют степенью окисления (С.О.).

Поэтому все реакции, наблюдаемые в природе, делят на 2 группы:

а) протекающие без изменения С.О.: (реакции обмена, нейтрализации)

б) протекающие с изменением С.О.. Такие реакции называют окислительно-восстановительными.

Мысленно её можно разделить на две полуреакции:

Процесс отдачи электронов: 2Na⁰ - 2e‾ = 2Na⁺ - называется окислением

Процесс принятия электронов: Cl₂ + 2e‾ = 2Cl‾ - называется восстановлением.

Частицы, отдающие электроны, называются восстановители, они окисляются. Частицы, принимающие электроны, называются окислителями, они восстанавливаются. В химических окислительно-восстановительных реакциях окисление и восстановление взаимосвязаны.

Степень окисления можно рассматривать как условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что соединение состоит из ионов. Степень окисления может быть положительная, отрицательная и нулевая.

Определение степени окисления проводят, используя следующие правила:

1. Степень окисления кислорода в соединениях равна (-2). Исключение составляют: пероксиды -  фторид кислорода.

2. Степень окисления водорода в соединениях равна (+1), кроме гидридов металлов - LiH, CaH₂ и т.п., где степень окисления равна (-1).

3. Степень окисления атомов в простых веществах, например, в металле или в Н₂, О₂ равна 0.

4. Степень окисления щелочных металлов в соединениях равна (+1).

5. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав нейтральной молекулы равна 0, в сложном ионе – заряду иона.

Примеры:

  (+1) + x + 4(-2) = 0         х = +7

  (+1) + x + 3(-2) = 0            x = +5

  2x + 3(-2) = (-2)                    х = +2

В зависимости от С.О. атомы могут проявлять различные функции в ОВР. По этому признаку их можно разделить на три группы:

1. Только восстановительные свойства могут проявлять металлы в свободном состоянии, а также атомы в низких С.О.: Cl‾; Br‾; I‾; S‾²; N‾³. Низшая отрицательная степень окисления для неметаллов равна номеру группы минус 8 .

2. Только окислительные свойства проявляют атомы с высшей степенью окисления. Она равна номеру группы: .

3. Окислительно-восстановительную двойственность проявляют атомы, имеющие промежуточную степень окисления.

Пример: атом серы S⁰ может принимать два электрона и превращаться в ион S‾², а также может отдать шесть электронов, приобретая заряд S⁺⁶. Т.е. в О.В.Р. сера может проявлять свойства окислителя и восстановителя.

8.1.2. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

Уравнения О.В.Р. имеют очень сложный характер, и их составление представляет иногда трудную задачу. Рассмотрим метод электронного баланса, при котором учитывается:

• общее число электронов отдаваемых всеми  восстановителями равно общему числу электронов, присоединяемых всеми окислителями;

• одинаковое число одноименных ионов в левой и правой частях уравнения;

• число молекул воды (в кислой среде) или ионов гидроксида (в щелочной среде), если в реакции участвуют атомы кислорода.

Составление уравнений О.В.Р. легче провести в несколько стадий:

1)      установление формул исходных веществ и продуктов реакции;

2.      определение степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах реакции;

1)      определение числа электронов отдаваемых восстановителем и принимаемых окислителем и коэффициентов при восстановителях и окислителях;

2)      определение коэффициентов при всех исходных веществах и продуктах реакции, исходя из баланса атомов в левой и правой частях уравнения.

Составим уравнение реакции окисления сульфата железа (II) перманганатом калия в кислой среде. Так как реакция протекает в кислой среде, то в левой  части уравнения кроме окислителя и восстановителя должна быть кислота. Продуктами реакции являются сульфаты марганца (II), калия, железа (III) и вода.

1.                Запишем схему реакции без коэффициентов

KMnO₄ + FeSO₄ + H₂SO₄ = MnSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

2.                Определим степени окисления элементов, исходя из вышеприведенных правил

Как видно, С.О. меняется только у марганца и железа, у первого она понижается (восстановление), у второго – повышается (окисление).

3.                Определим число электронов, отдаваемых восстановителем FeSO₄ и принимаемых окислителем KMnO₄:

Как видно, Mn⁷⁺ принимает пять, а два иона Fe²⁺ отдают два электрона. Кратное число отдаваемых и принимаемых электронов равно 10. Отсюда легко найти коэффициенты перед окислителем и восстановителем в уравнении реакции

2КMnO₄ + 10FeSO₄ → 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃

4.        Подведем баланс всех атомов в левой и правой частях уравнения и определим коэффициенты при всех веществах. В левой части уравнения имеются два атома калия, поэтому для баланса по калию следует записать в правую часть уравнения молекулу сульфата калия. Для уравнивания групп  в левую часть уравнения необходимо записать 8 молекул H₂SO₄, а для уравнивания водорода - 8 молекул воды:

2KMnO₄ + 10FeSO₄ + 8H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ +8H₂O

Число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения одинаково, поэтому данное уравнение является законченным.