Лекция 6 Окислительно-восстановительные реакции

Все реакции можно разделить на две группы: в одних реакциях степень окисления атомов остается постоянной, в других она меняется. К первым относятся обменные реакции, некоторые процессы синтеза и распада веществ. В отличие от них протекание окислительно-восстановительных реакций связано со сдвигом или полным переходом электронов от одних атомов (ионов) к другим – от восстановителя к окислителю.

Окислительно-восстановительные реакции чрезвычайно распространены. Это горение, получение различных веществ (в частности металлов и кислот), электрохимические процессы, процесс дыхания, фотосинтез.

Окислительно-восстановительными называют реакции, сопровождающиеся переходом электронов от одних атомов к другим.

О переходе электронов судят по изменениям степеней окисления атомов. Если степень окисления атома изменилась, то изменилось и его электронное окружение.

Соединения, содержащие атомы элементов с максимальной степенью окисления, могут быть только окислителями за счет этих атомов, т.к. они уже отдали все свои валентные электроны и способны только принимать электроны. Максимальная степень окисления атома элемента равна номеру группы в периодической таблице, к которой относится данный элемент. Соединения, содержащие атомы элементов с минимальной степенью окисления могут служить только восстановителями, поскольку они способны лишь отдавать электроны, потому, что внешний энергетический уровень у таких атомов завершен восемью электронами. Минимальная степень окисления у атомов металлов равна 0, для неметаллов - (n–8) (где n- номер группы в Периодической системе). У многовалентных элементов может быть несколько степеней окисления: так например, для серы степени окисления могут быть равными -2 – низшая, 0, +2, +4 – промежуточные и +6 – высшая. Соединения, содержащие атомы элементов с промежуточной степенью окисления, могут быть и окислителями и восстановителями, в зависимости от партнера, с которым взаимодействуют и от условий реакции.

Типичными окислителями являются а) простые вещества, атомы которых обладают большой электроотрицательностью (элементы VIA и VIIA групп), из них наиболее активны фтор, а также кислород и хлор, б) ионы с дефицитом электронов, это простые катионы с высшей или большой степенью окисления, например Pb⁺⁴, Fe⁺³, Тl⁺³, Се⁺⁴, и сложные анионы, в которых более электроположительный элемент имеет высшую или значительную степень окисления, например (Сr⁺⁶O₄)^2–, (Сr₂⁺⁶O₇)^2–, (N⁺⁵O₃)^–, (Mn⁺⁷O₄)^–, (S⁺⁶O₄)^2–, (Сl⁺⁵O₃)^–, (Сl⁺⁷O₄)^–, (Bi⁺⁵O₃)^–, (Pb⁺⁴O₃)^2–, (Cl⁺¹O)^–, (Вr⁺⁵О₃)^–. В растворах кислоты – более сильные окислители, чем их растворенные соли, причем окислительная активность кислот тем значительнее, чем выше их концентрация в растворе. Так, KNO_3(р) почти не проявляет окислительных свойств (необходим очень сильный восстановитель), разбавленная азотная кислота является слабым окислителем, а концентрированная кислота – один из наиболее энергичных окислителей. Сильными окислителями являются также пероксиды металлов.

К типичным восстановителям относятся а) простые вещества, атомы которых обладают малой электроотрицательностью (металлы основных подгрупп, I и II групп, а также некоторые другие металлы; восстановительная активность металлов обычно тем больше, чем меньше энергия ионизации их атомов, б) анионы, как простые, например Сl^–, S^2–, так и сложные, в которых более электроположительный элемент не имeет максимальной степени окисления, например (S⁺⁴О₃)^2–, (N⁺⁴О₂)^–, в) катионы, в которых элемент проявляет не максимальную степень окисления и она может возрастать, например Се⁺², Sn⁺², Fe⁺², Ti⁺³, г) некоторые вещества при высоких температурах, например С, СО, H₂. Вещества, содержащие элементы в максимальной и минимальной степенях окисления, могут быть соответственно только окислителями, например PbO₂, H₂SO₄, НNО₃, К₂Сr₂O₇, или только восстановителями, например H₂S, NH₃.

Вещества, содержащие элементы в промежуточной степени окисления – Н₂SO₃, HNO₂, их соли, и др.