10.3. Основные положения теории окисления - восстановления

Современная теория окисления - восстановления основана на следующих основных положениях.

1. Окислением называется процесс отдачи атомом, молекулой или ионом электронов. Степени окисления при этом повышаются, например:

Al - 3e^- = Al⁺³ , H₂ - 2e^- = 2H⁺

Fe⁺² - e^- = Fe⁺³, 2Br^-- - 2e^- = Br₂

2. Восстановлением называется процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. Степени окисления при этом понижаются, например:

S + 2e^- = S^-2, O₂ + 4e^- = 2O^-2

3. Восстановитель – вещество, содержащее элемент, который отдает электроны и повышает свою степень окисления. Во время реакции восстановитель окисляется.

Окислитель – вещество, содержащее элемент, который принимает электроны и понижает свою степень окисления. Во время реакции окислитель восстанавливается.

Например, в реакции

_{0 +2 0 +2}

C + PbO = Pb + CO

элементарный углерод (восстановитель), отдавая два электрона, окисляется до степени окисления +2, а свинец в степени окисления +2 (окислитель), принимая два электрона, восстанавливается до элементарного состояния.

В этой реакции процесс окисления и процесс восстановления можно выразить отдельными так называемыми электронными уравнениями:

_{0 +2}

С - 2е^- = С (окисление)

_{+2 0}

Pb + 2e^- = Pb (восстановление).

4. Окисление всегда сопровождается восстановлением; восстановление всегда связано с окислением:

восстановитель - е^-  окислитель

окислитель + е^-  восстановитель.

В окислительно-восстановительных реакциях число электронов, отдаваемых восстановителем, равно числу электронов, присоединяемых окислителем.

10.4. Важнейшие окислители и восстановители

10.4.1. Группа восстановителей

Восстановителями могут быть

- нейтральные атомы металлов (например, щелочные металлы, железо, алюминий, олово);

- нейтральные атомы неметаллов (водород, углерод);

- отрицательно заряженные элементарные ионы неметаллов (анионы бескислородных кислот, например, I ^-, S ^-2);

- положительно заряженные ионы металлов, способные повышать свою степень окисления (например, Fe⁺², Mn⁺², Sn⁺²);

- сложные ионы и молекулы, содержащие атомы в состоянии промежуточной степени окисления (например, SO₃^-2, NO₂ ^-, SO₂, NO).

Восстановители, имеющие большое значение в технике

и лабораторной практике

Углерод. Широко применяется для восстановления металлов из оксидов.

C + ZnO = Zn + CO

Восстановительные свойства углерод проявляет также в реакции получения водяного газа, представляющего значительную пожарную опасность:

C + H₂O = CO + H₂

Оксид углерода (II). Играет важную роль в металлургии при восстановлении металлов из их оксидов:

CO + 3 Fe₂O₃ = 2 Fe₃O₄ + CO₂

CO + Fe₃O₄ = 3 FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Железо, цинк, алюминий и олово. Применяются в качестве восстановителей в производстве органических веществ, главным образом, при восстановлении нитросоединений.

Сернистая кислота и ее соли. Сернистая кислота H₂SO₃ и ее соли сульфиты (например, сульфит натрия Na₂SO₃) и гидросульфиты (NaHSO₃) применяются для восстановления: первые - в фотографии, вторые - для уничтожения следов хлора в отбеленных тканях:

NaHSO₃ + Cl₂ + H₂O = NaHSO₄ + 2 HCl

Тиосульфат натрия. Применяется в качестве восстановителя в красильном деле с целью освобождения отбеливаемого материала от избытка хлорноватистой кислоты:

Na₂S₂O₃ + 4 HOCl = 2 H₂SO₄ + 2 NaCl + 2 HCl

Металлический натрий. Как восстановитель может быть использован для получения в свободном виде элементов подгруппы титана:

4 Na + TiCl₄ = Ti + 4 NaCl

Водород. При обычных условиях благодаря прочности молекулы водород малоактивен, но при нагревании он реагирует со многими элементами.

Атомарный водород значительно более активен, чем молекулярный; в практике атомарный водород часто используется в момент выделения. Так, атомарный водород уже при обычных условиях взаимодействует с серой, мышьяком и т.д., восстанавливает многие металлы из их оксидов.

Водородотермия широко применяется в промышленности для получения чистого вольфрама, молибдена, галлия, германия и т.д.

H₂ + CoO = Co + H₂O

Электрический ток. Катод при электролизе является восстановителем, при этом электрический ток является самым сильным восстановителем, поэтому с помощью электролиза получают щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий.

Кроме того, в качестве восстановителей часто применяются следующие вещества: фосфористая кислота H₃PO₃, щавелевая кислота H₂C₂O₄, муравьиная кислота HCOOH, аммиак NH₃, спирты, альдегиды, глюкоза.