Степень окисления. Окислители и восстановители.

При реакциях окисления или восстановления происходит перемещение части или всех валентных электронов от ионов, атомов или молекул одного из вступающих в реакцию веществ к частицам другого. При этом элемент, электроны которого смещаются к атомам другого элемента (полностью в случае ионной связи или частично в случае ковалентной), проявляет положительную окисленность. Элемент, к атомам которого смещаются электроны атома другого элемента, проявляют отрицательную окисленность. Для характеристики состояния элемента в соединениях пользуются понятием степени окисления.

Степенью окисления (С.О.) называется электрический заряд (в единицах заряда электрона) атома в молекуле, вычисленный в предположении, что молекула состоит из ионов и в целом электронейтральна.

Для определения степени окисления атомов в химических соединениях различного типа необходимо знать:

1. Атомы кислорода имеют степень окисления во всех соединениях –2. Исключение составляют фторид кислорода, F₂О, где кислород имеет С.О.= +2 и пероксиды, где С.О.= –1, например, Н₂О₂.

2. Водород во всех соединениях с неметаллами имеет С.О.=+1, в гидридах металлов степень окисления водорода С.О.= –1, пример - СаН₂.

3. Степень окисления атомов в простых ионных соединениях для данного иона равна по знаку и по величине его электрическому заряду. Например, в NaCl степень окисления Na равна +1, а хлора –1, что обычно отмечается соответствующей цифрой над символом элемента: Na⁺¹Cl^-1

4. В простых веществах ( и др.) степени окисления элементов всегда равны нулю, так как здесь не происходит одностороннее оттягивание электронов к какому-либо одному атому.

5. Элементы главных подгрупп I, II, III групп периодической системы имеют постоянные степени окисления, равные номеру группы: Na⁺¹Cl, Mg⁺²O, Al⁺³(NO₃)₃.

6. Для элементов с непостоянной степенью окисления ее значение нетрудно подчитать, зная формулу соединения и учитывая, что сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Определим, например, степень окисления хрома в соединении K₂Cr₂O₇. Степень окисления калия =+1, кислорода =–2, обозначим через х степень окисления хрома. Тогда 2(+1)+2х+7(–2) =0, следовательно, х=+6. Степень окисления хрома =+6.

7. Для химических элементов положительная степень окисления не может превышать величину, равную номеру группы периодической системы Д.И.Менделеева, в которой находится данный элемент.

8. Низшая степень окисления металлов равна нулю, а неметаллов – номеру группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой находится данный элемент, за вычетом восьми.

Химические реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно–восстановительными:

Mg + Cl₂ = MgCl₂

Mg⁰ – 2e = Mg⁺²

Cl₂⁰ + 2е = 2Cl^-

Процесс отдачи частицей электронов, сопровождающийся повышением степени окисления, называется окислением. Процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления, называется восстановлением.В реакциях эти два процесса протекают одновременно: одни частицы окисляются, другие восстанавливаются, следовательно, окислительно-восстановительные процессы представляют собой единство двух противоположных тенденций.

Вещества, присоединяющие электроны, называются окислителями, а вещества, теряющие электроны, –восстановителями. В приведенном примере Cl₂– окислитель, Mg – восстановитель.

Окислитель, присоединивший электроны, понижает свою степень окисления (восстанавливается). Восстановитель, отдавший свои электроны, повышает степень окисления (окисляется).

Только восстановителями могут быть:

а) свободные атомы металлов всех семейств (s, p, d, f);

б) элементы с наименьшей степенью окисления.

Проявление свободными металлами только восстановительных свойств объясняется способностью их атомов терять полностью или частично валентные электроны.

К восстановителям, указанным в пункте «б», относятся атомы неметаллических элементов с отрицательной степенью окисления: C^-4H₄, N^-3H₃, H₂S^-2, HCl^-1 и другие.

Только окислителями могут быть:

а) атомы элементов с наивысшей положительной степенью окисления в соединениях;

б) атомы и молекулы фтора и кислорода.

В реакциях окисления–восстановления некоторые вещества могут выступать в зависимости от условий и окислителями, и восстановителями. Такими веществами являются: а) атомы и молекулы неметаллов главных подгрупп IV–VII групп, бор, водород; б) атомы элементов с промежуточной (между высшей и низшей) положительной степенью окисления в соединении; в) перекисные соединения. Это связано со способностью соответствующих элементов отдавать или принимать электроны, повышая или понижая при этом степень окисления. Например,

Н^- ← Н → Н⁺,

Cl^- ← Cl⁰ → Cl⁺¹ → Cl⁺³ → Cl⁺⁵ → Cl⁺⁷

Для соединений марганца характерны степени окисления +2, +3, +4, +6, +7. Примеры веществ с разными степенями окисления: Mn⁰, Mn⁺²O, Mn⁺³₂O₃, Mn⁺⁴O₂, Mn⁺⁷₂O₇. Все формы соединений марганца со степенями окисления +2, +3, +4, +6 в зависимости от условий могут проявлять окислительную и восстановительную функции, например,

Mn⁺⁴O₂ + 4HCl^-1 = Mn⁺²Cl₂ + Cl⁰₂ + 2H₂O

Mn⁺⁴ – окислитель

Mn⁺⁴O₂ + KNO₃ + K₂CO₃ = K₂Mn⁺⁶O₄ + KNO₂ + CO₂

Mn⁺⁴ – восстановитель.

Во многих реакциях, протекающих в водных растворах, участвуют соединения, атомы которых не изменяют степени окисления. Такие вещества в окислительно-восстановительных процессах часто играют роль среды: нейтральной, щелочной, кислотной. Подкисление обычно осуществляется разбавленной серной кислотой, окислительная функция которой не проявляются в присутствии более сильных окислителей.