Окислювально-відновні реакції

Значна частина хімічних реакцій, з якими досі нам доводилося мати справу, була так званого обмінного типу, т. Е. Молекули складних речовин в процесі реакції обмінювалися своїми складовими частинами. Наприклад:
AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO3
або в іонному вигляді
Ag + + NO3- + Na + + Cl- = AgCl + Na + + NO3-
У таких реакціях величина валентності кожного атома або, як правильніше говорити в цьому випадку, величина ступеня окислення кожного атома залишається незмінною. На відміну від валентності поняття ступінь окислення більш умовне, формальне. При її визначенні ми припускаємо, що всі атоми в молекулі з’єднані один з одним іонними зв’язками і, залежно від значення електронегативності, мають або позитивний, або негативний заряд. Наприклад, атом водню зазвичай буває електропозитивні, його ступінь окислення + 1, кисень завжди у з’єднаннях має негативний заряд -2 і т. Д. Це і є їх ступенями окислення. Для підрахунку ступеня окислення кожного елемента, наприклад азоту в азотній кислоті HNO3, треба виходити з того, що всяка молекула в цілому завжди електронейтральна.

Розставимо над знаками водню і кисню значення їх ступенів окислення: HNО3 (+1 -2). Тепер розрахуємо, якою має бути ступінь окислення азоту. У молекулі три атоми кисню, кожен має ступінь окислення -2. Отже, загальне число негативних зарядів -2 х 3 = -6. Атом водню зі ступенем окислення +1 тільки один. Отже, негативних зарядів виявляється на 5 більше, ніж позитивних. Цей надлишок негативних зарядів повинен бути урівноважений зарядом атома азоту, який дорівнює цьому надлишку за абсолютною величиною, але протилежний за знаком, т. Е.
ступінь окислення азоту дорівнює +5: HNО3 (+ 1 + 5-2). Таким чином, в молекулі виявляється 6 позитивних і 6 негативних зарядів, внаслідок чого вона електронейтральна.

■ 130. Визначте ступінь окислення елементів у таких сполуках: H2SO4, KNО3, H2SO3, H2S, FeSO4, CaSiO3. (Див. Відповідь)

Якщо потрібно визначити ступеня окиснення елементів у солях більш складного складу, наприклад в молекулі фосфату кальцію Са3 (РО4) 2, то поступають таким чином. Для визначення ступеня окислювання центрального атома фосфору пишуть формулу кислоти, сіль якій розглядається (Н3РО4), і по ній визначають ступінь окислення фосфору: Н3РО4 (+ 1 + 5-2). У солях фосфорної кислоти (як і інших кислот) ступінь окислення фосфору (як і всякого центрального атома) та ж, що і в самій кислоті. Ступінь окислювання кальцію (або іншого металу) у складі солі визначити нескладно, вона дорівнює його валентності.

■ 131. Визначте ступені окислення елементів у таких сполуках: сульфат заліза (III), нітрат алюмінію, сульфат магнію, фосфат барію, карбонат натрію, силікат алюмінію. (Див. Відповідь)

При окисно-відновних процесах ступінь окислення елементів до і після реакції змінюється. Тому на відміну від обмінних реакцій, які називаються електростатичними через те, що ступінь окиснення елементів у них постійна, окислювально-відновні реакції називають електродинамічними.
Для окисно-відновних реакцій складання рівнянь складніше. Їх складають на основі так званого електронного балансу. Для цього умовно вважають, що всяка зміна ступеня окислення елемента пов’язане з віддачею або прийняттям певного числа електронів. Процес віддачі електронів називають окисленням, а прінятія- відновленням. Отже, атом або іон, які віддають електрони, окислюються і одночасно є відновниками. Якщо атом або іон приймають електрони, то вони відновлюються і одночасно є окислювачами. Окислення і відновлення – це дві сторони одного процесу, вони завжди протікають одночасно і не можуть існувати незалежно один від одного. Для того щоб атом віддав електрони, обов’язково повинен існувати інший атом, який у нього ці електрони прийме. Необхідно також знати, що в окисно-відновних процесах число відданих електронів завжди дорівнює числу прийнятих.

Завжди слід пам’ятати, що при хімічних реакціях може змінюватися тільки число електронів в атомі. Число позитивних зарядів у ядрі завжди залишається незмінним. У нейтральному атомі електрони завжди повністю врівноважують позитивний заряд ядра. Якщо атом втрачає частину своїх електронів, то стільки ж позитивних зарядів в ядрі залишаються неврівноваженими. Тоді й виникає позитивна ступінь окислення. Наприклад, якщо нейтральний атом алюмінію віддасть 3 електрона, то три позитивних заряду ядра при цьому залишаться неврівноваженими. Отже, атом перестає бути електронейтральний. Його заряд дорівнює +3, т. Е. Ступінь окислення стає Аl (+3).

■ 132. Скільки електронів віддано атомами при наступних перетвореннях:

а) Cu0 -? e- → Cu + 2
б) Fe0 -? e- → Fe + 3
в) S0 -? е- → S + 6
г) N0 -? е- → N + 2
Який процес – окислення або відновлення – при цьому відбувається? (Див. Відповідь)

Якщо нейтральний атом приймає додатково до 1 своїм ще кілька електронів, то в нього з’являється надлишковий негативний заряд (негативна сте- I пень окислення), рівний числу прийнятих електронів. 1 Наприклад, якщо нейтральний атом сірки прийме два електрона, то вони додадуть йому заряд -2, т. Е. Ступінь окислення стає S-2.

■ 133. Скільки електронів прийнято атомами при наступних перетвореннях:
а) N0 +? e- → N-3
б) Cl0 +? e- → Cl-1
в) С0 +? e- → С-4
г) О0 +? e- → О-2
Який процес – окислення або відновлення – при цьому відбувається? (Див. Відповідь)

Якщо вже є позитивна ступінь окислення, то віддача або прийняття електронів її відповідно 1 змінюють. Наприклад, якщо в процесі реакції ступінь окислення марганцю змінилася з Мn + 7 до Мn + 4, то це означає, що атом марганцю прийняв три електрона, вони урав-ги три позитивні заряду марганцю, а чотири залишилися неврівноваженими. Відбувається процес відновлення.
Таким чином, процес відновлення завжди супроводжується зниженням ступеня окислення. (Запишіть це правило.)

■ 134. Скільки електронів прийнято атомами при наступних перетвореннях:
а) Мn + 4 +? e- → Mn + 2
б) Cr + 6 +? e- → Cr + 3
в) Fe + 3 +? e- → Fe + 2
г) Cu + 2 +? e- → Cu0
д) Ag + 1 +? e- → Ag0 (Див. Відповідь)

В іншому випадку, коли ступінь окислення хрому змінюється від Сr + 3 до Сr + 6, це означає, що Сr + 3, маючи трьох неврівноважених позитивних заряду, віддав три електрони, і тепер неврівноваженими виявилися 6 позитивних зарядів. Відбувся процес окислення.

Іншими словами, зростання величин ступеня окислення свідчить про те, що відбувається процес окислення. (Запишіть.)

■ 135. Скільки електронів віддано атомами при наступних перетвореннях:
а) S-2 -? e- → S0;
б) S-2 -? e- → S + 6;
в) Мn + 2 -? e- → Мn + 6
г) Мn + 2 -? e- → Мn + 7
д) N + 2 -? e- → N + 5 (Див. Відповідь)

В окремих випадках зміна ступеня окислення буває настільки значним, що вона переходить з позитивної в негативну або навпаки. Наприклад, сірка може змінити ступінь окислення з S + 6 до S-2. У цьому випадку сірка приймає 8 електронів: 6 врівноважуючих позитивний заряд і ще 2, що додають надлишковий негативний заряд. Відбувається відновлення. Або навпаки: азот з ступеня окислення N-3 може перейти в N + 2. У цьому випадку відбувається віддача 5 електронів: атом азоту віддає 3 надлишкових електрона і ще 2, що врівноважують два позитивні заряду ядра.

■ 136. Як змінюється число електронів в атомах при наступних змінах ступенів окислення:
а) N + 2 → N-3
б) S + 4 → S-2
в) S + 6 → S + 4
г) S-2 → S + 6
д) N-3 → N + 5
е) N + 4 → N + 2
ж) Mn + 4 → Mn + 7 (Див. Відповідь)

У яких з наведених випадків відбувається окислення, а в яких відновлення?
Врахувавши сказане, можна перейти до складання рівнянь окисно-відновних реакцій. Як і у всіх випадках складання рівняння реакції, для написання рівняння окисно-відновних реакцій необхідно знать вихідні речовини й отримані продукти. Вихідні речовини зазвичай даються, а отримані речовини визначають, виходячи з умов реакції, на основі знання властивостей елементів.
Спочатку навчимося складати рівняння окисно-відновних реакцій із заздалегідь відомими продуктами.

Однак навчитися знаходити коефіцієнти в рівняннях окисно-відновних реакціях – ще не означає вміти їх складати. Потрібно знати поведінку речовин в окисно-відновних реакціях. Необхідно вміти передбачити хід реакцій, mопределять склад утворюються продуктів залежно від умов реакції.
Для того щоб розібратися, в яких випадках елементи поводяться як окислювачі, а в яких – як відновники, потрібно звернутися до періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва.

Якщо мова йде про простих речовинах, то відновні властивості повинні бути притаманні тим елементам, які мають більший в порівнянні з іншими атомний радіус, невелике число (1-3) електронів на зовнішньому шарі і в зв’язку з цим можуть порівняно легко їх віддавати. Це в основному метали. Найбільш сильними відновними властивостями з них володіють лужні і лужноземельні метали, розташовані в головних підгрупах I і II груп періодичної системи, наприклад натрій, калій, кальцій та ін.

Найбільш типові неметали, що мають близьку до завершення структуру зовнішнього електронного шару і значно менший у порівнянні з металами того ж періоду атомний радіус, досить легко приймають електрони і поводяться в окисно-відновних реакціях як окислювачі. Найбільш сильними окислювачами є легкі елементи головних підгруп VI – VII групи наприклад фтор, хлор, бром, кисень, сірка та ін. Разом з тим треба пам’ятати, що поділ простих речовин на окислювачі і відновники так само відносно, як і поділ на метали і неметали . Якщо неметали потрапляють в середу, де присутня більш сильний окислювач, то вони можуть проявити відновні властивості.
Елементи в різних ступенях окислення можуть поводитися по-різному. Елементи у вищій позитивної ступеня окислення не можуть проявляти відбудовних властивостей, а проявляють тільки окисні. Наприклад: N (+5) (HNO3, КNO3 та ін.), Cl (+7) (HClO4), S (+6) (H2SO4) і т. Д.
З погляду поняття «ступінь окислення» це пояснити нескладно. У атомів елементів у вищій мірі окислення з зовнішнього шару як би віддано максимальне число електронів; більше вони віддати не можуть, можуть лише приймати.

На зовнішньому електронному шарі біля N (+5). електрони відсутні.
Елементи в негативних ступенях окислення, навпаки, мають максимально завершений зовнішній електронний шар. Наприклад: S (+16) 2, 8, 6 і S (+16) 2, 8, 8. При розгляді зовнішнього електронного шару атома сірки ми бачимо, що він максимально завершений. Отже, атом S (-2) більше електронів приймати не може, а може лише віддавати. Це говорить про те, що S (-2) може проявляти лише відновні властивості, а окислювальних – не може.

Елементи в не максимально позитивних ступенях окислення, мають деяке число електронів на зовнішньому шарі, можуть як віддавати, так і приймати електрони і, отже, вести себе як окислювач і як відновник в залежності від умов. Наприклад: N, S, що мають, відповідно, структури N (+7) 2,2 і S (+16) 2, 8, 2, потрапляючи Веред, де присутній сильний окислювач, поводяться як відновники. І навпаки, в відновної середовищі вони поводяться як окислювачі.

Посилання на основну публікацію