Глава IX. Окислительно-восстановительные реакции.
Наряду с кислотно-основным взаимодействием, в основе которого лежит обмен протонами между реагентами, в природе широко распространено окислительно-восстановительное взаимодействие, которое характеризуется перераспределением электронов между реагентами, в результате чего изменяются степени окисления входящих в их состав атомов.
Для характеристики состояния атома в соединении используется понятие степень окисления.
Степень окисления – это условный заряд атома в молекуле, вычисленный исходя из предположения, что все связи между атомами ионные.
Наиболее электроотрицательные элементы в соединении имеют отрицательные степени окисления. Атомы элементов с меньшей электроотрицательностью имеют положительные степени окисления. Для вычисления степени окисления элемента следует учитывать следующие правила.
1. Степень окисления атомов в простых веществах всегда равна нулю.
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 в соединениях имеют: а) атомы щелочных металлов (+1); б) атомы щелочноземельных металлов (+2); в) атомы фтора (-1).
4. Степень окисления атома водорода в соединениях обычно равна +1, кроме гидридов металлов (СаН2), где степень окисления водорода -1.
5. Степень окисления кислорода в соединениях обычно равна -2, исключение составляют пероксиды, содержащие группу –О-О-, в которой степень окисления кислорода -1.
6. Для атомов любых элементов положительная степень окисления не может превышать величину, равную номеру группы периодической системы, в которой находится данный элемент.
Степени окисления атомов являются условными величинами, однако изменение их значений в ходе реакции указывают на ее окислительно-восстановительный характер.
Основные понятия.
Окислительно-восстановительными реакциями (ОВ реакциями) называются химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.
Перераспределение электронов в ОВ реакциях связано с отдачей и присоединением электронов и всегда приводят к изменению степеней окисления.
Окислителем называется вещество, в состав которого входят атомы, присоединяющие электроны.
Восстановителемназывается вещество, в состав которого входят атомы, отдающие электроны.
В ОВ реакциях взаимодействие окислителя с восстановителем сопровождается перераспределением электронов между ними. При этом число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, принятых окислителем! В ОВ реакциях одновременно протекают два процесса: окисление и восстановление.
Окислением называется процесс отдачи электронов, сопровождающийся повышением степени окисления элемента, отдающего электроны.
Восстановлениемназывается процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления элемента, присоединяющего электроны.
В ОВ реакциях взаимодействие окислителя с восстановителем сопровождается сопряженным перераспределением электронов между ними. При этом число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, принятых окислителем.
В ОВ реакциях одновременно протекают два процесса: окисление и восстановление.
Окислениемназывается процесс отдачи электронов, сопровождающийся повышением степени окисления элемента, отдающего электроны.
Восстановлениемназывается процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления элемента, присоединяющего электроны.
Следовательно, в ОВ реакциях окислитель – восстанавливается, а восстановитель – окисляется.
Окислительно-восстановительные свойства вещества можно предсказать, зная степени окисления входящих в него атомов. Соединения, содержащие атомы элементов с максимальной степенью окисления, могут быть только окислителями за счет этих атомов, поскольку последние уже отдали все свои валентные электроны и способны только принимать электроны. Максимальная степень окисления элемента численно равна номеру группы в периодической системе, к которой относится данный элемент.
Соединения, содержащие атомы элементов с минимальной степенью окисления, наоборот, могут служить только восстановителями, поскольку они способны только отдавать электроны из-за того, что внешний энергетический уровень у таких атомов завершен восемью электронами. Минимальная степень окисления металла равна 0. Для неметаллов ее можно вычислить по формуле (n – 8), где n – номер группы, к которой относится данный неметалл.
Соединения, содержащие атомы элементов с промежуточной степенью окисления, могут быть и окислителем, и восстановителем в зависимости от партнера, с которым взаимодействуют, и от условий проведения реакций. Например, сера при взаимодействии с водородом является окислителем, а при взаимодействии с кислородом – восстановителем.
Наиболее типичными окислителями являются:
а) свободные фтор, хлор, кислород и озон (F2, Cl2, O2, O3);
б) некоторые соединения, содержащие атомы элементов с максимальной степенью окисления – H2SO4, HNO3, KMnO4, K2Cr2O7, K2CrO4, PbO2;
в) катион водорода Н+ в растворах большинства кислот.
Наиболее типичными восстановителями являются:
а) металлы в свободном состоянии;
б) молекулярный Н2, углерод, оксид углерода (II) СО;
в) некоторые соединения, содержащие атомы элементов с минимальной степенью окисления.