Окислительно-восстановительные реакции.

К окислительно-восстановительным относятся реакции, сопровождающиеся перемещением электронов от одних частиц к другим, в результате чего изменяются степени окисления (С.О.) элементов.

Степень окисления. Под степенью окисления понимается условный заряд атома в соединении, вычисленный, исходя из предположения, что соединение состоит из ионов. Определение степени окисления проводят, используя следующие правила:

1. степень окисления элемента в простом веществе, например, металле или Н₂, N₂, O₂ равна нулю;

2. алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю;

3. постоянную степень окисления в соединениях проявляют щелочные металлы (+1), металлы главной подгруппы II группы, цинк и кадмий (+2);

4. степень окисления кислорода в соединениях равна (-2), за исключением пероксидов, где С.О.= -1, например, Н₂О₂, Na₂O₂, CaO₂; и фторида кислорода OF₂ (+2) (С.О.=+2);

5. для водорода степень окисления равна (+1), за исключением солеобразных гидридов, например, NaH, где С.О. = -1.

Большинство элементов могут проявлять переменную С.О. в соединениях. В качестве примера рассчитаем С.О. серы в соединениях Na₂SO₄ и Na₂SO₃. Степень окисления водорода и щелочных металлов в соединениях равна +1, а С.О. кислорода –2. Соответственно С.О. серы равна:

Na₂SO₄ 2(+1) + Х + 4(-2) = 0; Х = +6

Na₂SO₃ 2(+1) + Х + 3(-2) = 0; Х = +4

Любая окислительно-восстановительная реакция состоит из процессов окисления и восстановления.

Окисление — это процесс отдачи электронов веществом, приводящий к повышению степени окисления элемента:

Zn⁰ – 2e ® Zn⁺²

Вещества, отдающие свои электроны в процессе реакции, называются восстановителями. К типичным восстановителям относятся простые вещества, атомы которых имеют малую электроотрицательность (ЭО), например, металлы, водород, углерод, анионы элементов, атомы которых находятся в низшей степени окисления, например, CI^-, S^-2, а также углеводороды, азотоводороды, бороводороды и др.

Восстановление — это процесс присоединения электронов веществом, в результате чего степени окисления понижается:

Cu²⁺ + 2e ® Cu⁰

Вещество, принимающее электроны, называется окислителем. К типичным окислителям относятся простые вещества, атомы которых характеризуются высокой ЭО, например, галогены и кислород, соединения кислорода, например, пероксиды, соединения благородных газов, например, KrF₆, катионы и анионы, содержащие атомы с высокой степенью окисления, например, Fe³⁺, Pв⁴⁺, S⁶⁺, NO₃, MnO₄^-, CrO₄^2-, SO₄^2-.

Атом того или иного элемента в своей высшей степени окисления может только понизить ее, т.е. в окислительно-восстановительной реакции он может быть только окислителем. Если же элемент находится в своей низшей степени окисления, то он может только повышать ее, т.е. быть только восстановителем. Если элемент находится в соединении в своей промежуточной степени окисления, то он может ее как понижать, так и повышать, т.е. в зависимости от напарника он может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Например:

Высшую степень окисления элемента, как правило, определяет номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (nS²np⁶).

Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, и, следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов.

Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону и, следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы.

Реакции, в которых окислители и восстановители представляют собой различные вещества, называются межмолекулярными:

Zn⁰ + Cu⁺²SO₄ → Zn⁺²SO₄ + Cu⁰

Zn⁰ – 2e → Zn⁺² восстановитель

Cu⁺² + 2e → Cu⁰ окислитель

Реакции, в которых окислителями и восстановителями могут быть атомы одной и той же молекулы, называются внутримолекулярными.

Обычно это реакции разложения:

2Н₂⁺¹О^-2 → 2Н₂⁰ + О₂⁰

Н⁺¹ + 1e → Н⁰ окислитель

О^-2 – 2e → О⁰ восстановитель

Окислительно-восстановительные реакции, в которых происходит окисление и восстановление атомов или ионов одного и того же элемента, называются реакциями самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования):

3H₂Mn⁺⁶O₄ → 2HMn⁺⁷O₄ + Mn⁺⁴O₂ + 2H₂O

Mn⁺⁶ – 1e → Mn⁺⁷ восстановитель

Mn⁺⁶ + 2e → Mn⁺⁴ окислитель

В окислительно-восстановительных реакциях наряду с окислителями и восстановителями могут участвовать ионы или молекулы среды. Например, в реакции окисления сульфита калия перманганатом калия участвует серная кислота:

5K₂S⁺⁴O₃ + 2KMn⁺⁷O₄ + 3H₂SO₄ → 6K₂S⁺⁶O₄ + 2Mn⁺²SO₄ + 3H₂O

S⁺⁴ – 2e → S⁺⁶ восстановитель

Mn⁺⁷ + 5e → Mn⁺² окислитель