Глава IX. Окислительно-восстановительные реакции.

 

Наряду с кислотно-основным взаимодействием, в основе которого лежит обмен протонами между реагентами, в природе широко распространено окислительно-восстановительное взаимодействие, которое характеризуется перераспределением электронов между реагентами, в результате чего изменяются степени окисления входящих в их состав атомов.

Для характеристики состояния атома в соединении используется понятие степень окисления.

Степень окисления – это условный заряд атома в молекуле, вычисленный исходя из предположения, что все связи между атомами ионные.

Наиболее электроотрицательные элементы в соединении имеют отрицательные степени окисления. Атомы элементов с меньшей электроотрицательностью имеют положительные степени окисления. Для вычисления степени окисления элемента следует учитывать следующие правила.

1. Степень окисления атомов в простых веществах всегда равна нулю.

2. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав молекулы, всегда равна нулю, а в сложном ионе эта сумма равна заряду иона.

3. Постоянную степень окисления в соединениях имеют: а) атомы щелочных металлов (+1); б) атомы щелочноземельных металлов (+2); в) атомы фтора (-1).

4. Степень окисления атома водорода в соединениях обычно равна +1, кроме гидридов металлов (СаН₂), где степень окисления водорода -1.

5. Степень окисления кислорода в соединениях обычно равна -2, исключение составляют пероксиды, содержащие группу –О-О-, в которой степень окисления кислорода -1.

6. Для атомов любых элементов положительная степень окисления не может превышать величину, равную номеру группы периодической системы, в которой находится данный элемент.

Степени окисления атомов являются условными величинами, однако изменение их значений в ходе реакции указывают на ее окислительно-восстановительный характер.

Основные понятия.

 

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВ реакциями) называются химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.

Перераспределение электронов в ОВ реакциях связано с отдачей и присоединением электронов и всегда приводят к изменению степеней окисления.

Окислителем называется вещество, в состав которого входят атомы, присоединяющие электроны.

Восстановителем называется вещество, в состав которого входят атомы, отдающие электроны.

В ОВ реакциях взаимодействие окислителя с восстановителем сопровождается перераспределением электронов между ними. При этом число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, принятых окислителем! В ОВ реакциях одновременно протекают два процесса: окисление и восстановление.

Окислением называется процесс отдачи электронов, сопровождающийся повышением степени окисления элемента, отдающего электроны.

Восстановлением называется процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления элемента, присоединяющего электроны.

В ОВ реакциях взаимодействие окислителя с восстановителем сопровождается сопряженным перераспределением электронов между ними. При этом число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, принятых окислителем.

В ОВ реакциях одновременно протекают два процесса: окисление и восстановление.

Окислением называется процесс отдачи электронов, сопровождающийся повышением степени окисления элемента, отдающего электроны.

Восстановлением называется процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления элемента, присоединяющего электроны.

Следовательно, в ОВ реакциях окислитель – восстанавливается, а восстановитель – окисляется.

Окислительно-восстановительные свойства вещества можно предсказать, зная степени окисления входящих в него атомов. Соединения, содержащие атомы элементов с максимальной степенью окисления, могут быть только окислителями за счет этих атомов, поскольку последние уже отдали все свои валентные электроны и способны только принимать электроны. Максимальная степень окисления элемента численно равна номеру группы в периодической системе, к которой относится данный элемент.

Соединения, содержащие атомы элементов с минимальной степенью окисления, наоборот, могут служить только восстановителями, поскольку они способны только отдавать электроны из-за того, что внешний энергетический уровень у таких атомов завершен восемью электронами. Минимальная степень окисления металла равна 0. Для неметаллов ее можно вычислить по формуле (n – 8), где n – номер группы, к которой относится данный неметалл.

Соединения, содержащие атомы элементов с промежуточной степенью окисления, могут быть и окислителем, и восстановителем в зависимости от партнера, с которым взаимодействуют, и от условий проведения реакций. Например, сера при взаимодействии с водородом является окислителем, а при взаимодействии с кислородом – восстановителем.

Наиболее типичными окислителями являются:

а) свободные фтор, хлор, кислород и озон (F₂, Cl₂, O₂, O₃);

б) некоторые соединения, содержащие атомы элементов с максимальной степенью окисления – H₂SO₄, HNO₃, KMnO₄, K₂Cr₂O_7, K₂CrO₄, PbO₂;

в) катион водорода Н⁺ в растворах большинства кислот.

Наиболее типичными восстановителями являются:

а) металлы в свободном состоянии;

б) молекулярный Н₂, углерод, оксид углерода (II) СО;

в) некоторые соединения, содержащие атомы элементов с минимальной степенью окисления.