11. Окислительно-восстановительные реакции

Реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными. Степень окисления – это условный заряд атомов в молекуле, вычисленный из предположения, что молекула состоит только из ионов. Степень окисления может иметь нулевое, отрицательное и положительное значение, которое обычно указывают над символом элемента: Na₂⁺O^-2, H⁺N⁺⁵O₃^-2, K⁺Cl^-1. Нулевое значение степени окисления имеют атомы в молекулах простых веществ и атомы в электронейтральном состоянии: Cl⁰₂, H⁰₂, O⁰₂, N⁰₂, Al⁰, Ba⁰. Отрицательное значение степени окисления имеют атомы, которые приняли электроны:

Cl⁰ + 1  Cl^-; S⁰ + 2  S^2-.

Такой процесс называется восстановлением. При этом степень окисления понижается.

Положительное значение степени окисления имеют атомы, отдающие электроны:

Ba⁰ - 2  Ba²⁺; Р⁰ - 5  Р⁺⁵.

Такой процесс называется окислением. В общем случае степень окисления атома понижается на столько единиц, сколько электронов принимает данный атом:

Mn⁺⁷ + 1  Mn⁺⁶; Fe⁺³ + 3  Fe⁰; S⁺⁶ + 2  S⁺⁴.

При отрыве определенного количества электронов степень окисления повышается на соответствующее число единиц:

S^-2 - 6  S⁺⁴; Cl^- - 1  Cl⁰; Mn⁺² - 2  Mn⁺⁴.

У одноатомных ионов степень окисления равна заряду иона: для иона K⁺ - +1, для иона Ba²⁺ - +2, для иона S^2- - -2 и т.д. Пользуясь этими сведениями, можно вычислять степени окисления атомов в сложных соединениях. При этом следует помнить: алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекуле равна нулю.

Пример 1. Вычислите степень окисления фосфора в молекуле Н₃РО₄.

Решение. Обозначив степень окисления фосфора через х –Н₃⁺¹ О₄^-2– и умножив известные нам степени окисления водорода (+1) и кислорода (-2) на число этих атомов в молекуле, составим уравнение

(+1)3 + х + (-2)4 = 0.

Отсюда х = +5. Таким образом, степень окисления фосфора равна +5, т.е Н₃Р⁺⁵О₄.

Пример 2. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме

SnO + KMnO₄ + HCl  SnCl₄ + MnCl₂ + KCl + H₂O.

Укажите окислитель и восстановитель, какое вещество окисляется, какое – восстанавливается.

Решение. 1. Определите, какие атомы в левой и правой частях уравнения меняют степени окисления, подсчитайте и надпишите величины степеней окисления над символом соответствующего атома.

О^-2; х + (-2) = 0; х = +2; Cl^-1₄; х + (-1)4 = 0; х = +4;

К⁺¹ О₄^-2; +1 + х + (-2)4 = 0; х = +7;

Cl₂^-1; х + (-1)2 = 0; х = +2.

Таким образом, степени окисления изменяются у атомов Sn и Mn:

Sn⁺²О + KMn⁺⁷O₄ + HCl  Sn⁺⁴Cl₄ + Mn⁺²Cl₂ + KCl + H₂O.

2. Составьте электронные уравнения, т.е. схемы изменения зарядов атомов в левой и правой частях:

Sn⁺² - 2 = Sn⁺⁴;

Mn⁺⁷ + 5 = Mn⁺².

3. Принимая во внимание, что число отданных и принятых электронов должно быть одинаковым, найдите дополнительные множители, поменяв их местами, поставьте за вертикальной чертой и укажите восстановитель и окислитель, процессы окисления и восстановления:

восстановитель Sn+2- 2 = Sn+4	5 процесс окисления;
окислитель Mn+7 + 5 = Mn+2	2 процесс восстановления.

4. Дополнительные множители 5 и 2 и будут коэффициенты, стоящие перед формулами соединений олова и марганца. Их перенесите в общее уравнение:

5Sn⁺²О + 2KMn⁺⁷O₄ + HCl  5Sn⁺⁴Cl₄ + 2Mn⁺²Cl₂ + KCl + H₂O.

5. Коэффициенты перед формулами веществ, атомы которых не меняют свою степень окисления, подберите в следующей последовательности: а) коли-чество атомов металлов (здесь – К); б) количество атомов неметаллов (здесь – Cl); в) количество атомов водорода; г) кислорода.

Если процесс доуравнивания проводился верно, то количество всех атомов в правой и левой частях уравнения будет одинаковым.

Выполненное задание имеет вид:

5Sn⁺²О + 2KMn⁺⁷O₄ + 26HCl  5Sn⁺⁴+ 2Mn⁺²Cl₂ + 2KCl + 13H₂O.

восстановитель Sn+2- 2 = Sn+4	5 процесс окисления
окислитель Mn+7 + 5 = Mn+2	2 процесс восстановления.