Тема № 10

Окислительно-восстановительные реакции.

Ключевые слова и понятия

10.1 Степень окисления

10.2 Окислительно-восстановительные реакции

10.3 Окисление

10.4 Восстановители

10.5 Восстановление

10.6 Окислители

10.7 Межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции

10.8 Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции

10.9 Реакции диспропорционирования

Входная информация

Приступая к изучению данной темы, Вам необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения:

• из курса средней школы: значение понятий: окисление, восстановление

• из курса «Химия» для студентов технических специальностей: значение понятий: относительная электроотрицательность, металлические свойства.

Структура темы:

1. Понятие об окислительно-восстановительных процессах.

2. Классификация окислительно-восстановительных процессов.

3. Зависимость окислительно-восстановительных свойств веществ в зависимости от положения атомов элементов в периодической системе Д.И. Менделеева. Важнейшие окислители и восстановители.

4. Методика составления окислительно-восстановительных реакций. Влияние среды на направление и скорость окислительно-восстановительного процесса.

1. Понятия об окислительно-восстановительных процессах.

Окислительно-восстановительные процессы принадлежат к числу наиболее распространенных химических реакций и имеют огромное значение в теории и практике. Окисление-восстановление – один из важнейших процессов природы.

Дыхание, усвоение углекислого газа растениями с выделением кислорода, обмен веществ и ряд других биологических процессов в основе своей являются окислительно-восстановительными реакциями. Сжигание топлива в топках паровых котлов и двигателей внутреннего сгорания, электролитического осаждение металлов, процессы, происходящие в гальванических элементах в аккумуляторах, включают реакции окисления-восстановления.

Получение элементарных веществ (железа, хрома, марганца, золота, серебра, серы, хлора, йода и т.д.) и ценных химических продуктов (аммиака, щелочей, азотной, серной и других кислот) основано на окислительно-восстановительных реакциях.

С современной точки зрения процесс окисления-восстановления можно в общем случае рассматривать как перемещение электронов от одних частиц к другим. При этом происходит изменение степеней окисления соответствующих атомов или ионов.

Степень окисления(10.1) — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что молекула состоит из ионов и в целом электронейтральна.

Наиболее электроотрицательные (2.9) элементы в соединении имеют отрицательные степени окисления, а атомы элементов с меньшей электроотрицательностью - положительные.

Степень окисления - формальное понятие; в ряде случаев степень окисления не совпадает с валентностью.

Например,

Степень окисления азота – -2; валентность азота – 3.

 

Для расчета степени окисления элемента следует учитывать следующие положения:

1. Степени окисления атомов в простых веществах равны нулю (Na⁰; H₂⁰).

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 имеют атомы: щелочных металлов (+1), щелочноземельных металлов (+2), водорода (+1) (кроме гидридов NaH, CaH₂ и др., где степень окисления водорода -1), кислорода (-2) (кроме пероксидов, содержащих группу –O–O–, и F₂^-1O⁺² в которой степень окисления кислорода -1).

4. Для элементов положительная степень окисления не может превышать величину, равную номеру группы периодической системы.

Окислительно-восстановительные реакции (10.2) — это химические реакции, которые происходят с изменением степени окисление атомов, которые входят в состав реагирующих веществ. При этом любому веществу — окислителю (ox₁) соответствует восстановленная форма (red₁), а восстановителю (red₂) — окисленная форма (ox₂), вместе они образуют сопряженную окислительно-восстановительную пару (полуреакцию):

ox₁ + ne¯ = red₁

red₂ - ne¯ = ox₂

Сложение обеих полуреакций позволяет записать в общем виде окислительно-восстановительную реакцию:

ox₁ + red₂ = red₁ + ox₂

Окисление (10.3) — процесс отдачи электронов атомом, молекулой, или ионом. Атомы, молекулы или ионы, которые отдают электроны, называются в свою очередь восстановителями (10.4). Во время реакции они окисляются. При этом их степень окисления их повышается.

Восстановление (10.5) — процесс присоединения электронов атомом, молекулой, или ионом. Атомы, молекулы или ионы, которые присоединяют электроны, называются окислителями (10.6). Во время реакции они восстанавливаются. При этом их степень окисления понижается.

2. Классификация окислительно-восстановительных процессов.

В зависимости от того, находятся ли атомы, выполняющие в реакции функцию окислителя (акцептора электронов) и восстановителя (донора электронов) в одном или в различных веществах, все окислительно-восстановительные процессы можно разделить на три типа:

• межмолекулярные;

• внутримолекулярные;

• диспропорционирования.

Межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции (10.7) — окислительно-восстановительные реакции, в которых окислительные функции выполняют одни вещества, а восстановительные – другие. Например, в реакции H₂S + Cl₂ = S + 2HCl электроны от восстановителя – молекулы сероводорода – переходят к окислителю – молекуле Cl₂.

Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции (10.8) — окислительно-восстановительные реакции, в которых одна часть молекулы – окислитель, а другая – восстановитель.

Простейшими примерами могут служить реакции термического разложения вещества:

2NO₂ = 2NO +O₂

(NH₄)₂Cr₂O₇ = N₂ + Cr₂O₃ + 4 H₂O

Реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления) (10.9) —реакции, которые протекают с одновременным уменьшением и увеличением степени окисления атомов одного и того же элемента. Они характерны для соединений или простых веществ, состоящих из промежуточных степеней окисления данного элемента:

Cl₂ + H₂O = HCl +HClO

4KClO₃ = 3KClO₄ + KCl

3KBrO = KBrO₃ + 2KBr