Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные реакции – это реакции, в которых происходит изменение степеней окисления атомов, входящих в состав молекул реагирующих веществ.

Степень окисления (с.о.) – это условный заряд атома в соединении, вычисленный в предположении, что все связи в этом соединении ионные (то есть все связывающие электронные пары полностью смещены к атому более электроотрицательного элемента).

Степень окисления атома элемента в простом веществе или в соединении можно определить, руководствуясь следующими правилами:

1. Степень окисления атомов в составе простого вещества равна нулю, например: Н₂⁰, О₃⁰, Са⁰ и др.

2. Степень окисления одноатомных ионов совпадает с их зарядом: Мg²⁺, S^2– и др.

3. Атомы некоторых элементов проявляют в составе соединений постоянную степень окисления.

а) щелочные металлы (Lі, Nа, К, RЬ, Сs) проявляют в соединениях степень окисления +1;

б) щелочноземельные металлы (Са, Sг, Ва), а также другие металлы II группы (Ве, Мg, Zn, Сd) имеют степень окисления +2;

в) алюминий в соединениях проявляет степень окисления +3;

г) фтор как наиболее электроотрицательный элемент во всех соединениях проявляет степень окисления –1.

4. Кислород в большинстве соединений имеет степень окисления -2. Однако в составе пероксидов его степень окисления равна –1 (например, Н₂⁺¹О₂^–1, Na₂⁺¹О₂^–1), а в соединениях с более электроотрицательным элементом – фтором – степень окисления кислорода положительная: О₂⁺¹F₂^-1, O⁺²F₂^-1

5. Для водорода наиболее характерна степень окисления +1, но в соединениях с металлами (гидридами: NаН, СаH₂ и др.), а также в соединениях с менее электроотрицательными кремнием и бором (SiН₄, В₂H₆) его степень окисления равна –1.

6. В молекуле алгебраическая сумма значений степеней окисления всех образующих ее атомов равна нулю, а в многоатомном ионе – заряду иона.

Для тех элементов, атомы которых могут проявлять различные степени окисления в зависимости от того, в состав каких соединений они входят, можно определить высшую и низшую степени окисления.

Высшая степень окисления всех элементов равна номеру группы.

Исключение:

1) кислород, фтор;

2) инертные газы – гелий, неон, аргон;

3) металлы побочных подгрупп первой (Cu (+2, +1), Au (+3, +1), и Hg (+2, +1)) и VIIIB группы (второй и третий элемент «триады»).

Низшая степень окисления неметаллов равна – (номер группы – 8).

Промежуточные степени окисления неметаллов определяются по числу распадающихся электронных пар.

Если молекула образована ковалентными связями, то более электроотрицательный атом имеет отрицательную степень окисления, а менее электроотрицательный – положительную. Например, в молекуле Р₂S₃ более электроотрицательным является атом серы, следовательно, он находится в своей низшей степени окисления –2‚ а атом фосфора имеет степень окисления +3.

Теория окислительно-восстановительных процессов основана на следующих основных положениях.

Окислением называется процесс отдачи электронов частицей (атомом, молекулой или ионом) – восстановителем.

Восстановление – процесс присоединения электронов частицей (атомом, молекулой или ионом) – окислителем.

Типы окислительно-восстановительных реакций

Выделяют три типа окислительно–восстановительных реакций.

1) Чаще всего встречаются реакции межмолекулярного окисления – восстановления. В этом случае атом-окислитель и атом-восстановитель входят в состав разных веществ. Например:

Сu + 2Н₂SO₄ = CuSO₄ + S0₂ + 2Н₂О

окислителем является серная кислота (за счет S⁺⁶), а восстановителем – медь:

S⁰ + 2ē → S^–2

Сu⁰ – 2ē → Сu⁺²

2) Реакции внутримолекулярного окисления-восстановления – реакции, где атом-окислитель и атом восстановитель входят в состав молекулы одного и того же вещества.

Например:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂

восстановителем является атом кислорода, а окислителем – атом хлора, до начала реакции находившиеся в составе одного вещества:

Сl⁺⁵ + 6ē → Cl^–1

2O^–2 – 4ē → O₂⁰

3) Реакции диспропорционирования (или самоокисления — самовосстановления ) в роли окислителя и восстановителя выступают атомы одного и того же элемента, находившиеся до начала реакции в одной степени окисления.

Например:

Cl₂ + 2KOH = KCl + KClO + H₂O

Сl₂⁰ + 2ē → 2Cl^–1

Cl₂⁰ – 2ē → 2Cl⁺¹

Окислительно-восстановительные свойства веществ

Зная, какие степени окисления могут принимать атомы, входящие в состав

вещества, можно прогнозировать его поведение в окислительно-восстановительных реакциях.

Атомы, находящиеся в высшей степени окисления, могут быть только окислителями, поскольку способны принимать, но не отдавать электроны. Например, сера в составе серной кислоты Н₂SO₄ находится в своей высшей степени окисления +6, и, следовательно, может проявлять только окислительные свойства.

Атомы, находящиеся в низшей степени окисления, могут быть только восстановителями, поскольку способны отдавать, но не принимать электроны.

Поэтому только восстановительные свойства проявляют, например, сера в составе сероводорода Н₂S, азот в составе аммиака NН₃.

Атомы, находящиеся в промежуточной степени окисления, могут и принимать, и отдавать электроны. Вещества, содержащие такие атомы, обладают окислительно- восстановительной двойственностью: они выступают в роли окислителя или восстановителя в зависимости от свойств реагента, с которым взаимодействуют, и от условий проведения реакции. Например, в молекуле пероксида водорода Н₂О₂ кислород находится в промежуточной степени окисления –1; следовательно, это вещество может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

PbS + 4H₂O₂^–1 = PbSO₄ + 4H₂O^–2

^{окислитель}

2KMnO4 + 5H₂O₂^–1 + 3H₂SO₄= 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5O₂⁰ + 8H₂O

^{восстановитель}

Вещества, содержащие элементы в промежуточной степени окисления, способны к реакциям диспропорционирования.

2H₂O₂^–1 = O₂⁰ + 2H₂O^–2

Некоторые важнейшие окислители и продукты их восстановления

Некоторые важнейшие восстановители и продукты их окисления