1. Окиснення та відновлення

Першою науковою теорією окисно-відновних процесів була киснева, зі якою окисненням називали процес сполучення речовин з киснем, а відновлення – процес відщеплення від них кисню, наприклад:

2Сu + O₂ = 2CuO; CuO + H₂ = Cu + H₂O.

Окиснення міді Відновлення міді

Киснева теорія не пояснювала іншого механізму окисно-відновних процесів, які відбувалися без участі кисню, наприклад виділення металів з їхніх солей, електроосадження металів під час електролізу, взаємодію металів з галогенами, сіркою тощо. Водночас деякі реакції, наприклад взаємодія міді з неметалами (сіркою, галогенами), аналогічна її окисненню киснем, а відновити мідь до вільного стану можна не лише з її оксидів, а й з інших сполук.

На початку ХХ ст. у зв’язку з розвитком учення про будову атома киснева теорія оступилася більш загальній електронній теорії окиснення – відновлення.

Згідно з наведеним вище прикладом мідь у реакції з киснем, а також з іншими неметалічними елементами, наприклад із хлором та сіркою:

Сu⁰ + CI₂⁰ = Cu⁺²CI₂^-1,

Cu⁰ + S⁰ = Cu⁺²S^-2,

віддає електрони і збільшує свій ступінь окиснення від 0 до +2. Отже, окиснення – це процес віддавання електронів частинками речовини.

У той самий час у реакції відновлення міді воднем її ступінь окиснення зменшується від +2 до 0, тобто мідь(ІІ) приєднує електрони і відновлюється. Отже, відновлення – це процес приєднання електронів частинами речовини.

Усі хімічні реакції можна розділити на дві групи. У реакціях першої групи ступені окиснення елементів залишаються незмін­ними (реакції обміну, гідролізу, дисоціації тощо). Реакції другої групи супроводжуються зміною ступенів окиснення елементів. Звідси, процеси окиснення – відновлення – це реакції, внаслідок перебігу яких відбувається зміна ступенів окиснення елементів.

Процеси окиснення та відновлення споріднені між собою. Ко­ли одна речовина віддає електрони й окиснюється, то обов’язко­во має бути інша речовина, яка приєднує ці електрони і віднов­люється. Обидва процеси відбуваються сумісно, тобто не може відбуватися окиснення без одночасного відновлення.

У процесах окиснення – відновлення можуть брати участь молекули, атоми або іони реагуючих речовин. Частинки, які приєднують електрони, називають окисниками, а частинки, які віддають електрони – відновниками. Так, у реакції міді з кис­нем, хлором чи сіркою мідь є відновником, а зазначені неметали – окисниками. У реакції оксиду міді з воднем мідь є окисником, а водень – відновником.

Якщо до розчину, який містить іони Sn²⁺, додати розчин, що містить іони Fе³⁺, то відбудеться реакція, внаслідок якої утво­ряться іони Sn⁴⁺ і Fе²⁺:

Sn²⁺ + 2Fе³⁺ = Sn⁴⁺ + 2Fе²⁺.

Процес окиснення іонів Sn²⁺ супроводжується відщепленням електронів:

Sn²⁺ ↔ Sn⁴⁺ + 2е ^–, Відновник

а процес відновлення іонів Fе³⁺ – приєднанням електронів:

Fe³⁺ + 1e^– ↔ Fе²⁺, Окисник

Іони Fе³⁺, які приєднують електрони від іонів Sn²⁺, є окисника­ми і відновлюються до іонів Fе² . Одночасно іони Sn²⁺ віддають електрони іонам Fе³⁺ і є відновниками, а самі окиснюються до іонів Sn⁴⁺.

Рис 1. Контактне витіснення міді залізом

У разі занурення металіч­ного заліза в розчин солі міді (рис. 1.) мимовільно відбува­ється реакція розчинення залі­за і виділення металічної міді:

Fe⁰ + Cu⁺² SO₄ = Fe⁺²SO₄ + Cu⁰

або Fe⁰ + Cu⁺² = Fe⁺² + Cu⁰.

У цій реакції відновниками є атоми заліза, які віддають електрони окисникам – іонам міді (ІІ).

Явища окиснення і відновлення загалом можна розглядати як перенесення електронів від відновника до окисника. У кожній реакції число електронів, відданих молекулами (атомами, іона­ми) відновника, дорівнює числу електронів, приєднаних молеку­лами (атомами, іонами) окисника.

Мимовільний перебіг окисно-відновних реакцій у наведених вище прикладах підтверджує те, що речовини, які використову­валися, є досить активними відновниками, а їхні партнери у ре­акції – досить сильними окисниками. Водночас якщо у реакції з іонами Sn²⁺ іони заліза Fе³⁺ замінити на іони деяких інших металів, наприклад Zn²⁺, Fe²⁺, Сr³⁺, то процес окиснення іонів Sn²⁺ не відбуватиметься. Це свідчить про те, що іони Sn ²⁺ не достатньо сильні відновники відносно зазначених іонів, а остан­ні, у свою чергу, – недостатньо сильні окисники порівняно з іонами Fе³⁺. Аналогічно якщо в розчин солі міді(ІІ) вмістити замість металічного заліза або цинку срібло, золото чи ртуть, то реакція також не відбуватиметься. З цього випливає, що напря­мок окисно-відновних реакцій і сама можливість їх перебігу за­лежать від «сили» окисників і відновників. Це, у свою чергу, по­требує визначення природи таких властивостей реагентів, а та­кож пошуку їх кількісного вираження.

Для кількісної характеристики окисної та відновної здатності речовин використовують електродні потенціали.