Составление окислительно-восстановительных уравнений. Окислительно – восстановительные реакции Какие бывают реакции по изменению степени окисления
Классификация химических реакций в неорганической и органической химии
Химические реакции, или химические явления, - это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от них по составу и (или) строению.
При химических реакциях обязательно происходит изменение веществ, при котором рвутся старые и образуются новые связи между атомами.
Химические реакции следует отличать от ядерных реакций. В результате химической реакции общее число атомов каждого химического элемента и его изотопный состав не меняются. Иное дело ядерные реакции - процессы превращения атомных ядер в результате их взаимодействия с другими ядрами или элементарными частицами, например, превращение алюминия в магний:
27 |
13 |
1 |
1 |
24 |
12 |
4 |
2 |
Классификация химических реакций многопланова, т.е. в ее основу могут быть положены различные признаки. Но под любой из таких признаков могут быть отнесены реакции как между неорганическими, так и между органическими веществами.
Рассмотрим классификацию химических реакций по различным признакам.
Классификация химических реакций по числу и составу реагирующих веществ. Реакции, идущие без изменения состава вещества
В неорганической химии к таким реакциям можно отнести процессы получения аллотропных модификаций одного химического элемента, например:
С(графит)⇄С(алмаз)
S(ромбическая)⇄S(моноклинная)
Р(белый)⇄Р(красный)
Sn(белоеолово)⇄Sn(сероеолово)
3О2(кислород)⇄2О3(озон).
В органической химии к этому типу реакций могут быть отнесены реакции изомеризации, которые идут без изменения не только качественного, но и количественного состава молекул веществ, например:
1. Изомеризация алканов .
Реакция изомеризации алканов имеет большое практическое значение, т.к. углеводороды изостроения обладают меньшей способностью к детонации.
2. Изомеризация алкенов .
3. Изомеризация алкинов (реакция А. Е. Фаворского).
4. Изомеризация галогеналканов (А. Е. Фаворский).
5. Изомеризация цианата аммония при нагревании.
Впервые мочевина была синтезирована Ф. Велером в 1882 г. изомеризацией цианата аммония при нагревании.
Реакции, идущие с изменением состава вещества
Можно выделить четыре типа таких реакций: соединения, разложения, замещения и обмена.
1. Реакции соединения - это такие реакции, при которых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество.
В неорганической химии все многообразие реакций соединения можно рассмотреть на примере реакций получения серной кислоты из серы:
1) получение оксида серы (IV):
S+O2=SO2 - из двух простых веществ образуется одно сложное;
2) получение оксида серы (VI):
t,p,кат. |
⇄ |
2SO3 - из простого и сложного веществ образуется одно сложное;
3) получение серной кислоты:
SO3+H2O=H2SO4 - из двух сложных веществ образуется одно сложное.
Примером реакции соединения, при которой одно сложное вещество образуется из более чем двух исходных, может служить заключительная стадия получения азотной кислоты:
4NO2+O2+2H2O=4HNO3.
В органической химии реакции соединения принято называть реакциями присоединения. Все многообразие таких реакций можно рассмотреть на примере блока реакций, характеризующих свойства непредельных веществ, например этилена:
1) реакция гидрирования - присоединение водорода:
3) реакция полимеризации:
2. Реакции разложения - это такие реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ.
В неорганической химии все многообразие таких реакций можно рассмотреть на примере блока реакций получения кислорода лабораторными способами:
1) разложение оксида ртути (II):
2Hg+O2 - из одного сложного вещества образуются два простых;
2) разложение нитрата калия:
2KNO2+O2 - из одного сложного вещества образуются одно простое и одно сложное;
3) разложение перманганата калия:
K2MnO4+MnO2+O2 - из одного сложного вещества образуются два сложных и одно простое, т.е. три новых вещества.
В органической химии реакции разложения можно рассмотреть на примере блока реакций получения этилена в лаборатории и промышленности:
1) реакция дегидратации (отщепления воды) этанола:
2) реакция дегидрирования (отщепления водорода) этана:
3) реакция крекинга (расщепления) пропана:
3. Реакции замещения - это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы какого-либо элемента в сложном веществе.
В неорганической химии примером таких процессов может служить блок реакций, характеризующих свойства, например, металлов:
1) взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой:
2Na+2H2O=2NaOH+H2
2) взаимодействие металлов с кислотами в растворе:
Zn+2HCl=ZnCl2+H2;
3) взаимодействие металлов с солями в растворе:
Fe+CuSO4=FeSO4+Cu;
4) металлотермия:
Предметом изучения органической химии являются не простые вещества, а только соединения. Поэтому как пример реакции замещения приведем наиболее характерное свойство предельных соединений, в частности метана, - способность его атомов водорода замещаться на атомы галогена:
Другой пример - бромирование ароматического соединения (бензола, толуола, анилина):
Обратим внимание на особенность реакций замещения у органических веществ: в результате таких реакций образуются не простое и сложное вещества, как в неорганической химии, а два сложных вещества.
В органической химии к реакциям замещения относят и некоторые реакции между двумя сложными веществами, например, нитрование бензола:
Она формально является реакцией обмена. То, что это реакция замещения, становится понятным только при рассмотрении ее механизма.
4. Реакции обмена - это такие реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями.
Эти реакции характеризуют свойства электролитов и в растворах протекают по правилу Бертолле, т.е. только в том случае, если в результате образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например, Н2О).
В неорганической химии это может быть блок реакций, характеризующих, например, свойства щелочей:
1) реакция нейтрализации, идущая с образованием соли и воды:
NaOH+HNO3=NaNO3+H2O
или в ионном виде:
2) реакция между щелочью и солью, идущая с образованием газа:
2NH4Cl+Ca(OH)2=CaCl2+2NH3+2H2O
или в ионном виде:
NH4++OH–=NH3+H2O;
3) реакция между щелочью и солью, идущая с образованием осадка:
CuSO4+2KOH=Cu(OH)2↓+K2SO4
или в ионном виде:
Cu2++2OH−=Cu(OH)2↓
В органической химии можно рассмотреть блок реакций, характеризующих, например, свойства уксусной кислоты:
1) реакция, идущая с образованием слабого электролита - H2O:
CH3COOH+NaOH⇄NaCH3COO+H2O
CH3COOH+OH−⇄CH3COO−+H2O;
2) реакция, идущая с образованием газа:
2CH3COOH+CaCO3=2CH3COO–+Ca2++CO2+H2O;
3) реакция, идущая с образованием осадка:
2CH3COOH+K2SiO3=2KCH3COO+H2SiO3↓
2CH3COOH+SiO3−=2CH3COO−+H2SiO3↓.
Классификация химических реакций по изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества
Реакции, идущие с изменением степеней окисления элементов, или окислительно-восстановительные реакции.
К ним относится множество реакций, в том числе все реакции замещения, а также те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество, например:
0 |
Ag |
Задание №1
Установите соответствие между уравнением реакции и свойством элемента азота, которое он проявляет в этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Ответ: 4221
Пояснение:
А) NH 4 HCO 3 – соль, в состав которой входит катион аммония NH 4 + . В катионе аммония азот всегда имеет степень окисления, равную -3. В результате реакции он превращается в аммиак NH 3 . Водород практически всегда (кроме его соединений с металлами) имеет степень окисления, равную +1. Поэтому, чтобы молекула аммиака была электронейтральной, азот должен иметь степень окисления, равную -3. Таким образом, изменения степени окисления азота не происходит, т.е. он не проявляет окислительно-восстановительных свойств.
Б) Как уже было показано выше, азот в аммиаке NH 3 имеет степень окисления -3. В результате реакции с CuO аммиак превращается в простое вещество N 2 . В любом простом веществе степень окисления элемента, которым оно образовано, равна нулю. Таким образом, атом азота теряет свой отрицательный заряд, а поскольку за отрицательный заряд отвечают электроны, это означает их потерю атомом азота в результате реакции. Элемент, который в результате реакции теряет часть своих электронов, называется восстановителем.
В) В результате реакции NH 3 со степенью окисления азота, равной -3, превращается в оксид азота NO. Кислород практически всегда имеет степень окисления, равную -2. Поэтому для того, чтобы молекула оксида азота была электронейтральной, атом азота должен иметь степень окисления +2. Это означает, что атом азота в результате реакции изменил свою степень окисления с -3 до +2. Это говорит о потере атомом азота 5 электронов. То есть азот, как и случает Б, является восстановителем.
Г) N 2 – простое вещество. Во всех простых веществах элемент, который их образует, имеет степень окисления, равную 0. В результате реакции азот превращается в нитрид лития Li3N. Единственная степень окисления щелочного металла, кроме нуля (степень окисления 0 бывает у любого элемента), равна +1. Таким образом, чтобы структурная единица Li3N была электронейтральной, азот должен иметь степень окисления, равную -3. Получается, что в результате реакции азот приобрел отрицательный заряд, что означает присоединение электронов. Азот в данной реакции окислитель.
Задание №2
Установите соответствие между схемой реакции и свойством элемента фосфора, которое он проявляет в этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 1224
Задание №3
УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ | |
А) 4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O Б) 2Cu(NO 3) 2 → 2CuO + 4NO 2 + O 2 В) 4Zn + 10HNO 3 → NH 4 NO 3 + 4Zn(NO 3) 2 + 3H 2 O Г) 3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 1463
Задание №4
Установите соответствие между уравнением реакции и изменением степени окисления окислителя в ней: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ | ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЯ |
А) SO 2 + NO 2 → SO 3 + NO Б) 2NH 3 + 2Na → 2NaNH 2 + H 2 В) 4NO 2 + O 2 + 2H 2 O → 4HNO 3 Г) 4NH 3 + 6NO → 5N 2 + 6H 2 O |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 3425
Задание №5
Установите соответствие между схемой реакции и коэффициентом перед окислителем в ней: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
СХЕМА РЕАКЦИИ | КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕД ОКИСЛИТЕЛЕМ |
А) NH 3 + O 2 → N 2 + H 2 O Б) Cu + HNO 3 (конц.) → Cu(NO 3) 2 + NO 2 + H 2 O В) C + HNO 3 → NO 2 + CO 2 + H 2 O Г) S + HNO 3 →H 2 SO 4 + NO |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 3442
Задание №6
Установите соответствие между уравнением реакции и изменением степени окисления окислителя в ней: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ | ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЯ |
А) 2NH 3 + K → 2KNH 2 + H 2 Б) H 2 S + K → K 2 S + H 2 В) 4NH 3 + 6NO → 5N 2 + 6H 2 O Г) 2H 2 S + 3O 2 → 2SO 2 + 2H 2 O |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 4436
Задание №7
Установите соответствие между исходными веществами и свойством меди, которое этот элемент проявляет в данной реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 2124
Задание №8
Установите соответствие между схемой реакции и свойством серы, которое она проявляет в данной реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 3224
Задание №9
Установите соответствие между схемой реакции и свойством фосфора, которое он проявляет в этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 3242
Задание №10
Установите соответствие между схемой реакции и свойством азота, которое он проявляет в этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 2141
Задание №11
Установите соответствие между схемой реакции и свойством фтора, которое он проявляет в этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 1444
Задание №12
Установите соответствие между схемой реакции и изменением степени окисления восстановителя: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
СХЕМА РЕАКЦИИ | |
А) NaIO → NaI + NaIO 3 Б) HI + H 2 O 2 → I 2 + H 2 O В) NaIO 3 → NaI + O 2 Г) NaIO 4 → NaI + O 2 | 1) I +5 → I −1 2) O −2 → O 0 3) I +7 →I −1 4) I +1 → I −1 5) I +1 → I +5 6) I −1 → I 0 |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 5622
Задание №13
Установите соответствие между уравнением реакции и изменением степени окисления восстановителя в данной реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ | ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ВОССТАНОВИТЕЛЯ |
А) H 2 S + I 2 → S + 2HI Б) Cl 2 + 2HI → I 2 + 2HCl В) 2SO 3 + 2KI → I 2 + SO 2 + K 2 SO 4 Г) S + 3NO 2 → SO 3 + 3NO |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 5331
Задание №14
Установите соответствие между уравнением окислительно-восстановительной реакции и изменением степени окисления серы в этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ | ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ СЕРЫ |
А) S + O 2 → SO 2 Б) SO 2 + Br 2 + 2H 2 O → H 2 SO 4 + 2HBr В) C + H 2 SO 4 (конц.) → CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O Г) 2H 2 S + O 2 → 2H 2 O + 2S |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 4123
Задание №15
ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ | ФОРМУЛЫ ВЕЩЕСТВ |
А) S −2 → S +4 Б) S −2 → S +6 В) S +6 → S −2 Г) S −2 → S 0 | 1) Cu 2 S и O 2 2) H 2 S и Br 2 (р-р) 3) Mg и H 2 SO 4 (конц.) 4) H 2 SO 3 и O 2 5) PbS и HNO 3 (конц.) 6) C и H 2 SO 4 (конц.) |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 1532
Задание №16
Установите соответствие между изменением степени окисления серы в реакции и формулами исходных веществ, которую в нее вступают: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ | ФОРМУЛЫ ВЕЩЕСТВ |
А) S 0 → S +4 Б) S +4 → S +6 В) S −2 → S 0 Г) S +6 → S +4 | 1) Cu и H 2 SO 4 (разб.) 2) H 2 S и O 2 (недост.) 3) S и H 2 SO 4 (конц.) |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 3523
Задание №17
Установите соответствие между свойствами азота и уравнением окислительно-восстановительной реакции, в которой он проявляет эти свойства: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 2143
Задание №18
Установите соответствие между изменением степени окисления хлора в реакции и формулами исходных веществ, которую в нее вступают: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ | ФОРМУЛЫ ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ |
А) Cl 0 → Cl −1 Б) Cl −1 → Cl 0 В) Cl +5 → Cl −1 Г) Cl 0 → Cl +5 | 1) KClO 3 (нагревание) 2) Cl 2 и NaOH(горяч. р-р) 3) KCl и H 2 SO 4 (конц.) 6) KClO 4 и H 2 SO 4 (конц.) |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 2412
Задание №19
Установите соответствие между формулой иона и его способностью проявлять окислительно-восстановительные свойства: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 2332
Задание №20
Установите соответствие между схемой химической реакции и изменением степени окисления окислителя: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
СХЕМА РЕАКЦИИ | ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЯ |
А) MnCO 3 + KClO 3 → MnO 2 + KCl + CO 2 Б) Cl 2 + I 2 + H 2 O → HCl + HIO 3 В) H 2 MnO 4 → HMnO 4 + MnO 2 + H 2 O Г) Na 2 SO 3 + KMnO 4 + KOH → Na 2 SO 4 + K 2 MnO 4 + H 2 O | 1) Cl 0 → Cl − 2) Mn +6 → Mn +4 3) Cl +5 → Cl − 4) Mn +7 → Mn +6 5) Mn +2 → Mn +4 6) S +4 → S +6 |
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Ответ: 3124
Задание №21
Установите соответствие между схемой реакции и изменением степени окисления восстановителя в этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
К окислительно-восстановительным реакциям относятся такие, которые сопровождающиеся перемещением электронов от одних частиц к другим. При рассмотрении закономерностей протекания окислительно-восстановительных реакций используется понятие степени окисления.
Степень окисления
Понятие степени окисления введено для характеристики состояния элементов в соединениях. Под степенью окисления понимается условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что соединение состоит из ионов . Степень окисления обозначается арабской цифрой со знаком плюс при смещении электронов от данного атома к другому атому и цифрой со знаком минус при смещении электронов в обратном направлении. Цифру со знаком “+” или “-“ ставят над символом элемента. Степень окисления указывает состояние окисления атома и представляет собой всего лишь удобную форму для учета переноса электронов: ее не следует рассматривать ни как эффективный заряд атома в молекуле (например, в молекуле LiF эффективные заряды Li и F равны соответственно + 0,89 и -0,89, тогда как степени окисления +1 и -1), ни как валентность элемента (например, в соединениях CH 4 , CH 3 OH, HCOOH, CO 2 валентность углерода равна 4, а степени окисления соответственно равны -4, -2, +2, +4). Численные значения валентности и степени окисления могут совпадать по абсолютной величине лишь при образовании соединений с ионной структурой.
При определении степени окисления используют следующие правила:
Атомы элементов, находящихся в свободном состоянии или в виде молекул простых веществ, имеют степень окисления, равную нулю, например Fe, Cu, H 2 , N 2 и т.п.
Степень окисления элемента в виде одноатомного иона в соединении, имеющем ионное строение, равна заряду данного иона,
1 -1 +2 -2 +3 -1
например, NaCl , Cu S, AlF 3 .
Водород в большинстве соединений имеет степень окисления +1, за исключением гидридов металлов (NaH, LiH), в которых степень окисления водорода равна -1.
Наиболее распространенная степень окисления кислорода в соединениях -2 , за исключением пероксидов (Na 2 O 2 , Н 2 О 2), в которых степень окисления кислорода равна –1 и F 2 O, в котором степень окисления кислорода равна +2.
Для элементов с непостоянной степенью окисления ее значение можно рассчитать, зная формулу соединения и учитывая, что алгебраическая сумма степеней окисления всех элементов в нейтральной молекуле равна нулю. В сложном ионе эта сумма равна заряду иона. Например, степень окисления атома хлора в молекуле HClO 4 , вычисленная исходя из суммарного заряда молекулы = 0, где х – степень окисления атома хлора), равна +7. Степень окисления атома серы в ионе (SO 4) 2- [х + 4(-2) = -2] равна +6.
Окислительно-восстановительные свойства веществ
Любая окислительно-восстановительная реакция состоит из процессов окисления и восстановления. Окисление - это процесс отдачи электронов атомом, ионом или молекулой реагента. Вещества, которые отдают свои электроны в процессе реакции и при этом окисляются, называют восстановителями.
Восстановление – это процесс принятия электронов атомом, ионом или молекулой реагента.
Вещества, которые принимают электроны и при этом восстанавливаются, называют окислителями.
Реакции окисления-восстановления всегда протекают как единый процесс, называемый окислительно-восстановительной реакцией. Например, при взаимодействии металлического цинка с ионами меди восстановитель (Zn) отдает свои электроны окислителю – ионам меди (Cu 2+):
Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu
Медь выделяется на поверхности цинка, а ионы цинка переходят в раствор.
Окислительно-восстановительные свойства элементов связаны со строением их атомов и определяются положением в периодической системе Д.И. Менделеева. Восстановительная способность элемента обусловлена слабой связью валентных электронов с ядром. Атомы металлов, содержащие на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов склонны к их отдаче, т.е. легко окисляются, играя роль восстановителей. Самые сильные восстановители – наиболее активные металлы.
Критерием окислительно-восстановительной активности элементов может служить величина их относительной электроотрицательности : чем она выше, тем сильнее выражена окислительная способность элемента, и чем ниже, тем ярче проявляется его восстановительная активность. Атомы неметаллов (например, F, O) обладают высоким значением сродства к электрону и относительной электроотрицательности, они легко принимают электроны, т.е. являются окислителями.
Окислительно-восстановительные свойства элемента зависят от степени его окисления. У одного и того же элемента различают низшую, высшую и промежуточные степени окисления.
В качестве примера рассмотрим серу S и ее соединения H 2 S, SO 2 и SO 3 . Связь между электронной структурой атома серы и его окислительно-восстановительными свойствами в этих соединениях наглядно представлена в таблице 1.
В молекуле H 2 S атом серы имеет устойчивую октетную конфигурацию внешнего энергетического уровня 3s 2 3p 6 и поэтому не может больше присоединять электроны, но может их отдавать.
Состояние атома, в котором он не может больше принимать электроны, называется низшей степенью окисления.
В низшей степени окисления атом теряет окислительную способность и может быть только восстановителем.
Таблица.1.
Формула вещества |
Электронная формула |
Окислительно-восстановительные свойства |
|
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 |
–2
|
||
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 |
+
2
окислитель |
–4
-
6
восстановитель |
|
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p o |
+
4
+
6
окислитель |
-2
|
|
1s 2 2s 2 2p 6 3s o 3p 0 |
+
2
+
8
окислитель |
В молекуле SO 3 все внешние электроны атома серы смещены к атомам кислорода. Следовательно, в этом случае атом серы может только принимать электроны, проявляя окислительные свойства.
Состояние атома, в котором он отдал все валентные электроны, называется высшей степенью окисления. Атом, находящийся в высшей степени окисления, может быть только окислителем.
В молекуле SO 2 и элементарной сере S атом серы находится в промежуточных степенях окисления , т.е., имея валентные электроны, атом может их отдавать, но, не имея завершенного р - подуровня, может и принимать электроны до его завершения.
Атом элемента, имеющий промежуточную степень окисления, может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства, что определяется его ролью в конкретной реакции.
Так, например роль сульфит - аниона SOв следующих реакциях различна:
5Na 2 SO 3 +2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 2MnSO 4 + 5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O (1)
H 2 SO 3 + 2 H 2 S 3 S + 3 H 2 O (2)
В реакции (1) сульфит-анион SOв присутствии сильного окислителяKMnO 4 играет роль восстановителя; в реакции (2) сульфит-анион SO- окислитель, так как H 2 S может проявлять только восстановительные свойства.
Таким образом, среди сложных веществ восстановителями могут быть:
1. Простые вещества, атомы которых обладают низкими значениями энергии ионизации и электроотрицательности (в частности, металлы).
2. Сложные вещества, содержащие атомы в низших степенях окисления:
HCl ,H 2 S ,N H 3
Na 2 S O 3 , Fe Cl 2 , Sn (NO 3) 2 .
Окислителями могут быть:
1. Простые вещества, атомы которых обладают высокими значениями сродства к электрону и электроотрицательности - неметаллы.
2. Сложные вещества, содержащие атомы в высших степенях окисления: +7 +6 +7
KMn O 4 , K 2 Cr 2 O 7 , HClO 4 .
3. Сложные вещества, содержащие атомы в промежуточных степенях окисления:
Na 2 S O 3 , Mn O 2 , Mn SO 4 .
По этому признаку различают окислительно-восстановительные реакции и реакции, протекающие без изменения степеней окисления химических элементов.
К ним относится множество реакций, в том числе все реакции замещения, а также те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество, например:
Как вы помните, коэффициенты в сложных окислительно-восстановительных реакциях расставляют, используя метод электронного баланса:
В органической химии ярким примером окислительно-восстановительных реакций могут служить свойства альдегидов.
1. Они восстанавливаются в соответствующие спирты:
2. Альдегиды окисляются в соответствующие кислоты:
Сущность всех приведенных выше примеров окислительно-восстановительных реакций была представлена с помощью хорошо известного вам метода электронного баланса. Он основан на сравнении степеней окисления атомов в реагентах и продуктах реакции и на балансировании числа электронов в процессах окисления и восстановления. Этот метод применяют для составления уравнений реакций, протекающих в любых фазах. Этим он универсален и удобен. Но в то же время он имеет серьезный недостаток - при выражении сущности окислительно-восстановительных реакций, протекающих в растворах, указываются частицы, которые реально не существуют.
В этом случае удобнее использовать другой метод - метод полуреакций. Он основан на составлении ионноэлектронных уравнений для процессов окисления и восстановления с учетом реально существующих частиц и последующем суммировании их в общее уравнение. В этом методе не используют понятие «степень окисления», а продукты определяются при выводе уравнения реакции.
Продемонстрируем этот метод на примере: составим уравнение окислительно-восстановительной реакции цинка с концентрированной азотной кислотой.
1. Записываем ионную схему процесса, которая включает только восстановитель и продукт его окисления, окислитель и продукт его восстановления:
2. Составляем ионно-электронное уравнение процесса окисления (это 1-я полуреакция):
3. Составляем ионно-электронное уравнение процесса восстановления (это 2-я полуреакция):
Обратите внимание: электронно-ионные уравнения составляются в соответствии с законом сохранения массы и заряда.
4. Записываем уравнения полуреакций так, чтобы число электронов между восстановителем и окислителем было сбалансированно:
5. Суммируем почленно уравнения полуреакций. Составляем общее ионное уравнение реакции:
Проверяем правильность составления уравнения реакции в ионном виде:
- Соблюдение равенства по числу атомов элементов и по числу зарядов
- Число атомов элементов должно быть равно в левой и правой частях ионного уравнения реакции.
- Общий заряд частиц в левой и правой частях ионного уравнения должен быть одинаков.
6. Записываем уравнение в молекулярной форме. Для этого добавляем к ионам, входящим в ионное уравнение, необходимое число ионов противоположного заряда.
По признаку изменения степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, химические реакции подразделяются на два типа.
1) Реакции, протекающие без изменения степеней окисления атомов.
Например:
2+4-2 t +2 -2 +4 -2
CaCO 3 = CaO + CO 2
В этой реакции степень окисления каждого из атомов осталась без изменения.
2) Реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов.
Например:
0 +2 -1 0 +2 -1
Zn + CuCl 2 = Cu + ZnCl 2
В этой реакции степени окисления атомов цинка и меди изменились.
Окислительно-восстановительные реакции – наиболее распространенные химические реакции.
На практике окислительно-восстановительная реакция – это присоединение или отдача электронов. Одни атомы (ионы, молекулы) отдают другим или принимают от них электроны.
Окисление.
Процесс отдачи электронов атомом, ионом или молекулой называется окислением .
При отдаче электронов степень окисления атома повышается.
Вещество, чьи атомы, ионы или молекулы отдают электроны, называется восстановителем .
В нашем примере атомы в степени окисления 0 перешли в атомы со степенью окисления +2. То есть произошел процесс окисления. При этом атом цинка, отдавший два электрона, является восстановителем (он повысил степень окисления с 0 до +2).
Процесс окисления записывают электронным уравнением, в котором указывают изменение степени окисления атомов и число электронов, отданных восстановителем.
Например:
0 +2 0
Zn – 2e – = Zn (окисление, Zn – восстановитель).
Восстановление.
Процесс присоединения электронов называют восстановлением .
При присоединении электронов степень окисления атома понижается.
Вещество, чьи атомы, ионы или молекулы присоединяют электроны, называют окислителем .
В нашем примере переход атомов меди со степенью окисления +2 в атомы со степенью окисления 0 является процессом восстановления. При этом атом меди со степенью окисления +2, принимая два электрона, понижает степень окисления от +2 до 0 и является окислителем.
Процесс окисления тоже записывают электронным уравнением:
2 0 0
Cu + 2e – = Cu (восстановление, Cu – окислитель).
Процесс восстановления и процесс окисления нераздельны и протекают одновременно.
0 +2 0 +2
Zn + CuCl 2 = Cu + ZnCl 2
восстановитель окислитель
окисляется восстанавливается