Лекція 5. Окисно-відновні реакції

Реакції, які розглядалися раніше (обмінні, гідроліз), перебігають без зміни ступеня окиснення елементів.

Реакції, в яких ступінь окиснення елементів не змінюється, називаються реакціями невалентних перетворень..

Пригадаємо поняття валентність і ступінь окиснення.

Ступінь окиснення – умовний заряд, який мав би атом, якби електрони всіх його зв'язків з рештою атомів були зміщені до більш електронегативного елемента.

Тобто рід ступенем окиснення розуміють електричний заряд атома, розрахований виходячи з допущення, що дана сполука складається з іонів. Тому ступінь окиснення може бути як позитивним, так і негативним. Ступінь окиснення позначають арабськими цифрами із знаком «+» або «-» перед числом і пишуть над символом елемента: Н^+, Na^+, Cl^-, Mg^2+, P^5+. Ступінь окиснення можна приписувати елементам як в іонних, так і в ковалентних сполуках.

Чисельне значення ступеня окиснення визначається декількома правилами. 1. Ступінь окиснення дорівнює:

- вільного елемента: 0 (О₂ - 0, Р₅ - 0);

- одноатомного простого іона: рівний заряду іона (Cl ^-);

- атома водню в сполуках з неметалами: +1;

- атома кисню (окрім Н₂О₂ -1 і ОF₂ +2): -2;

- атома фтору (самий електронегативний): -1;

- лужних металів у всіх сполуках: +1;

- лужноземельних металів у всіх сполуках: +2;

- атома алюмінію: +3.

 

2. Сума ступенів окиснення всіх елементів в сполуці дорівнює нулю.

3. Ступінь окиснення елемента, що утворює оксоаніон дорівнює (2*число атомів кисню в оксоаніоні) мінус абсолютне значення заряду іона:

MnO₄^– іон (2*4)-1=7

 

Поняття ступінь окиснення не треба прирівнювати до поняття валентність, навіть коли вони чисельно співпадають.

 

Валентність – це число електронів, що використовуються атомом при утворенні хімічного зв'язку.

Валентність атома рівна числу електронів, що втрачаються ним при утворенні катіона або приєднуваних до нього при утворенні аніона. Валентність атомів в ковалентній молекулі дорівнює числу електронів, узагальнених ним при утворенні зв'язків з іншими атомами.

Валентності завжди дорівнюють невеликим цілим числам. Негативної валентність не буває, окрім інертних газів, які в звичайних умовах не утворюють сполук з іншими елементами.

Іноді валентності чисельно співпадають із ступенем окиснення, але частіше не співпадають. Особливо чітко це видно на прикладі органічних сполук.

Наприклад: валентність вуглецю в сполуках майже завжди 4, а ступінь окиснення змінюється від –4 до +4: Метан СН₄ (-4); хлорметан СН₃Cl (-2); дихлорметан CH₂Cl₂ (0); тетрахлорметан CCl₄ (+4).

 

Повернемося до поняття «ступінь окиснення». Не зважаючи на формальний характер, він широке використовується в класифікації хімічних процесів, при розгляді окислювально-відновних здібностей речовин, при розрахунках коефіцієнтів в окисно-відновних реакціях.

 

Окисно-відновними реакціями називаються процеси, в яких електрони переходять від атомів одного елемента до атомів іншого. Ці реакції супроводжуються зміною ступеня окиснення елементів.

В окисно-відновних реакціях зміна ступеня окиснення обумовлена зсувом або повним переходом електронів від атома одного елемента до атома іншого елемента.

Наприклад: 2Н₂⁰ + О₂⁰ = 2Н₂⁺¹О^-2

Реакція супроводжується переходом двох електронів від атомів гідрогену до оксигену і останній отримує стабільну електронну конфігурацію s²p⁶, переходячи в іон О^-2. Атоми гідрогена одержують позитивний заряд. Таким чином, окисно-відновна реакція супроводжується перенесенням електронів.

Процес втрати частинкою електронів називається окисненням, а процес приєднання електронів – відновленням. При окисленні атома елемента або іона відбувається зростання його ступеня окиснення: Fe⁺² + e = Fe³⁺. При відновленні атома або іона відбувайся зменшення його ступеня окиснення: Си²⁺+ 2е=Си⁰.

В хімічних реакціях ці два процеси відбуваютьсяч одночасно і тому окисно-відновні реакції є єдністю двох протилежних тенденцій, тобто в наявності чітке дотримання закону збереження матерії.

 

Речовини, що містять елементи, які приєднують електрони, називаються окисниками. Речовини, в яких елементи віддають електрони, називаються відновниками.

До окисників відносяться речовини, що мають тенденцію до приєднання електронів. Всі окисники містять елемент, електронна конфігурація якого не стабільна, а для утворення стійкої конфігурації (наприклад: s²p⁶) не вистачає одного або декількох електронів.

Окисники приєднують бракуючі електрони і знижують свій ступінь окиснення.

До окисників відносяться: кисень, галогени, кисневмісні кислоти, хлор, бром і їх солі, азотна кислота і її солі, марганцева кислота і її солі,сполуки деяких металів у вищих ступенях окиснення (K₂Cr₂O ₇ ,PbO₂,,Fe³⁺), концентрована сульфатна кислота, перекис водню.

До відновників відносяться речовини, здатні віддавати електрони. Тобто у них електронна конфігурація повинна бути нестійкою.

Легше віддають електрони ті елементи, конфігурація електронів в яких s¹ або s², тобто ті, що знаходяться на початку періодичної системи.

До відновників відносяться: водень, метали, сірководень і його солі, солі Fe²⁺, тобто речовини, які містять атоми в низьких ступенях окиснення.

Речовини з атомами в проміжних ступенях окиснення, можуть бути як окисниками, так і відновниками: SO₂, H₂SO₃.

До окисно-відновних можуть бути віднесений реакції наступних типів:

1. металів з неметалами:

2. металів з кислотами:

3.металлов з водою:

4. заміщення (витіснення):

5. реакції між двома речовинами, що знаходяться у вищому і нижчому ступенях окиснення:

Всі перераховані реакції можуть бути розділений на три типи:

1. міжмолекулярної взаємодії: окисник і відновник належать різним молекулам

2. внутрішньо молекулярної взаємодії: окисником і відновником є елементи однієї молекули:

3.диспропорционування або самоокиснення-самовідновлення: один і той же елемент є і окисником і відновником, тобто він і підвищує і знижує свій ступінь окиснення:

При складанні рівнянь окисно-відновних реакцій застосовують два методи:

- метод електронного балансу (його часто застосовують в школі);

- іонно-електронний метод.

 

В методі електронного балансу підрахунок числа приєднаних електронів робиться на підставі знань ступенів окиснення елементів до і після реакції

 

При складанні рівнянь окисно-відновних реакцій, що протікають у водних розчинах правильніше користуватися іонно-електронним методом. Цей метод базується на складанні окремих рівнянь реакцій відновлення іона або молекули і окиснення іона або молекули з подальшим складанням цих реакцій в одне загальне. Для цього необхідна іонна схема: сильні електроліти пишуть у вигляді іонів; слабкі електроліти, осади і гази у вигляді молекул. Ті іони, які не зазнають змін в результаті реакції в іонну схему не вносяться.

Порядок складання іонних рівнянь окисно-відновних реакцій

1. скласти іонну схему реакції

2. скласти електронне рівняння процесу окиснення і процесу відновлення так, щоб сума алгебраічнихзарядів зліва і праворуч від знака рівності була однаковою

3. знайти коефіцієнти для окисника і відновника, враховуючи, що число електронів, що втрачаються відновником, повинне дорівнювати числу електронів, приєднуваних окисником.

4. скласти електронні рівняння, заздалегідь помноживши їх на знайдені коефіцієнти.

Приклад окисно-відновної реакції з участю солі безкисневої кислоти:

Окисно-відновні реакції часто протікають між іонами або молекулами, які містять оксиген. В результаті змінюється вміст кисню в молекулах окисника і відновника.

В цьому випадку в рівнянні реакції з'являються іони Н⁺ або ОН ^-, тобто ми говоримо про те, що дана реакція перебігає в якомусь середовищі: кислому (іони Н⁺), лужному (іони ОН ^-), нейтральному (молекули Н₂О).

Перевірити, чи правильно розставлені коефіцієнти в рівнянні можна по кількості атомів оксигену зліва і справа від знака рівності.

Якщо окисно-відновний процес перебігає в лужному середовищі, в схему для створення середовища додається луг.

Якщо до вихідних речовин не додається ні кислота, ні луг, то вважають, що окисно-відновна реакція проходить в нейтральному середовищі. В цьому випадку в лівій частині схеми враховується вода

Деякі особливі випадки окисно-відновних реакцій

- реакції диспропорціонування

реакції, ускладнені утворенням солей

- реакції з участю перекису водню

 

 

Лекція 6: ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

 

Матеріалознавство – це прикладна наука про будову і властивості технічних матеріалів, основна задача якої – встановлення зв’язку між складом, структурою та властивостями.

Розвиток техніки вимагає постійного розширення переліку матеріалів, які в ній використовуються; разом з традиційними матеріалами, що забезпечують певний комплекс механічних та технологічних властивостей, з'являються нові матеріали з особливими властивостями. До них можливо віднести магнітні, тепломіцні і тугоплавкі порошкові матеріали; напівпровідникові матеріали; матеріали атомної техніки; композиційні матеріали; надпровідники; полімерні матеріали; ситали та таке інше.

Для більшості технічних матеріалів як металевих, так і неметалевих характерна кристалічна будова. Це дозволяє з єдиних позицій розглянути закономірності формування кристалічної будови і властивості, шо визначаються природою зв'язку між атомами.

 

Всі тверді тіла ділять на кристалічні і аморфні. Кристалічні тіла при нагріві залишаються твердими до певної температури (температури плавлення), при якій вони переходять в рідкий стан. Аморфні тіла при нагріві розм'якшуються у великому температурному інтервалі; спочатку вони стають в'язкими і лише потім переходять в рідкий стан.

Всі метали і їх сплави - тіла кристалічні.