Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительными называются реакции, сопровождающиеся изменением степени окисленности атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Под степенью окисленности (n) понимают тот условный заряд атома, который вычисляется, исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов.

Для вычисления степени окисленности элемента в соединении следует исходить из следующих положений:

1. степени окисленности элементов в простых веществах принимаются равными нулю;

2. алгебраическая сумма степеней окисленности всех атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю;

3. постоянную степень окисленности в соединениях проявляют щелочные металлы (+1), металлы главной подгруппы II группы (+2);

4. водород проявляет степень окисленности +1 во всех соединениях, кроме гидридов металлов (NaH, CaH₂ и т.п.), где степень окисленности равна –1;

5. степень окисленности кислорода в соединениях равна –2 , за исключением пероксидов (-1) и фторида кислорода OF₂ (+2).

Окисление-восстановление – это единый взаимосвязанный процесс. Отдача атомов электронов, сопровождающаяся повышением его степени окисленности, называется окислением, присоединение атомом электронов, приводящее к понижению его степени окисленности, называется восстановлением. Вещество, в состав которого входит окисляющий элемент называется восстановителем; вещество, содержащее восстанавливающийся элемент, называется окислителем. Атом элемента в своей высшей степени окисленности не может ее повысить (отдавать электроны) и проявляет только окислительные свойства, а в своей низшей степени окисленности не может ее понизить (принять электроны) и проявляет только восстановительные свойства. Атом же элемента, имеющий промежуточную степень окисленности, может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Например:

N⁵⁺(HNO₃) проявляет только окислительные свойства;

N⁴⁺(NO₂) проявляет окислительные и восстановительные свойства;

N³⁺(HNO₂) проявляет окислительные и восстановительные свойства;

N²⁺(NO) проявляет окислительные и восстановительные свойства;

N¹⁺(N₂O) проявляет окислительные и восстановительные свойства;

N⁰(N₂) проявляет окислительные и восстановительные свойства;

N^1-(NH₂OH) проявляет окислительные и восстановительные свойства;

N^2-(N₂H₂) проявляет окислительные и восстановительные свойства;

N^3-(NH₃) проявляет только восстановительные свойства.

Пример 1. Исходя из степени окисленности (n) азота, серы и марганца в соединениях NH₃ HNO₂ HNO₃ H₂S H₂SO₃ H₂SO₄ MnO₂ KMnO₄, определите какие из них могут быть только восстановителями, только окислителями, и какие проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства.

Решение. Степень окисленности для азота в указанных соединениях соответственно равна: -3 (низшая), +3 (промежуточная), +5 (высшая); n для серы соответственно равна –2 (низшая), +4 (промежуточная), +6 (высшая); n для марганца соответственно равна +4 (промежуточная), +7 (высшая). Отсюда: NH₃, H₂S – только восстановители; HNO₃, H₂SO₄, KMnO₄ – только окислители; HNO₂, H₂SO₃, MnO₂ – окислители и восстановители.

Пример 2. Могут ли проходить окислительно-восстановительные реакции между следующими веществами:

а) H₂S и HJ;

б) H₂S и H₂SO₃;

в) H₂SO₃ и HClO₄?

Решение.

а) Степень окисленности в H₂S n(S)=-2; в HJ n(J)=-1. Так как и сера, и йод находятся в своей низшей степени окисления, то оба взятые вещества проявляют только восстановительные свойства и взаимодействовать друг с другом не могут;

б) в H₂S n(S)=-2 (низшая), в H₂SO₃ n(S)=+4 (промежуточная). Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем H₂SO₃ является окислителем;

в) в H₂SO₃ n(S)=+4 (промежуточная), в HClO₄ n(Cl)=+7 (высшая). Взятые вещества могут взаимодействовать. H₂SO₃ в этом случае будет проявлять восстановительные свойства.

Пример 3. Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции идущей по схеме

_{+3 +7 +2 +5}

H₃PO₃+KMnO₄+H₂SO₄=MnSO₄+H₃PO₄+K₂SO₄+H₂O

Решение. Если в условии задачи даны как исходные вещества, так и продукты их взаимодействия, то написание уравнения реакции сводится, как правило, к нахождению и расстановке коэффициентов. Коэффициенты определяют методом электронного баланса с помощью электронных уравнений. Вычисляем, как изменяет свою степень окисленности восстановитель и окислитель, и отражаем это в электронных уравнениях:

восстановитель 5 P³⁺-2e^-=P⁵⁺ - процесс окисления

окислитель 2 Mn⁷⁺+5e^-=Mn²⁺ - процесс восстановления

Общее число электронов отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, которое присоединяет окислитель. Общее наименьшее кратное для отданных и принятых электронов десять. Разделив это число на 5, получаем коэффициент 2 для окислителя, а при делении 10 на 2 получаем коэффициент 5 для восстановителя. Коэффициент перед веществами, атомы которых не меняют свою степень окисленности, находят подбором. Уравнение реакции будет иметь вид:

5H₃PO₃+2KMnO₄+3H₂SO₄=2MnSO₄+5H₃PO₄+K₂SO₄+3H₂O

Пример 4. Составьте уравнение реакции взаимодействия цинка с концентрированной серной кислотой, учитывая максимальное восстановление последней.

Решение. Цинк, как и любой металл, проявляет только восстановительные свойства.

В концентрированной серной кислоте окислительную функцию несет сера (+6). Максимальное восстановление серы означает, что приобретает минимальную степень окисленности. Минимальная степень окисленности серы как элемента VI группы равна –2. Цинк как металл II группы имеет постоянную степень окисленности +2. Поэтому электронные уравнения будут иметь вид:

в осстановитель 4 Zn⁰-2e^-=Zn²⁺ - процесс окисления

окислитель 1 S⁶⁺+8e^-=S^2- - процесс восстановления

Составляем уравнение реакции:

4Zn+5H₂SO₄=4ZnSO₄+H₂S+4H₂O

Перед H₂SO₄ стоит коэффициент 5, а не 1, так как четыре молекулы H₂SO₄ идут на связывание четырех ионов Zn²⁺.

Пример 5. Определите типы окислительно-восстановительных реакций для следующих процессов:

а) H₂S+ HNO₃= H₂SO₄+ NO₂+ H₂O

б) H₃PO₃= H₃PO₄+ PH₃

в) (NH₄)₂Cr₂O₇=N₂+ Cr₂O₃+ H₂O

Решение.

_{2- 5+ 6+ 4+}

а) H₂S+8HNO₃= H₂SO₄+8NO₂+4H₂O

в осстановитель 1 S^2- -8e^-=S⁶⁺ процесс окисления

окислитель 8 N⁵⁺+1e^-=N⁴⁺ процесс восстановления

В этой реакции взаимодействуют два вещества, одно из которых служит восстановителем, а другое – окислителем. Такие реакции относятся к реакциям межмолекулярного окисления-восстановления.

_{3+ 5+ 3-}

б) 4H₃PO₃=3H₃PO₄+ PH₃

в осстановитель 3 P³⁺-2e^-=P⁵⁺ процесс окисления

4{

окислитель 1 P³⁺+6e^-=P^3- процесс восстановления

В этой реакции исходное вещество проявляет функции как окислителя, так и восстановителя. Такие реакции являются реакциями самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования).

_{3- 6+ 0 3+}

в) (NH₄)₂Cr₂O₇= N₂+ Cr₂O₃+ H₂O

в осстановитель 1 2N^3- -6e^-=2N⁰ процесс окисления

окислитель 1 2Cr⁶⁺+6e^-=2Cr³⁺ процесс восстановления

В этой реакции и окислитель, и восстановитель входят в состав одного и того же вещества. Реакции такого типа называются реакциями внутримолекулярного окисления-восстановления.