книги / Неорганическая химия

Молекула воды, согласно указанной теории, также может иг­ рать роль и основания и кислоты:

Новые теории о кислотах и основаниях еще находятся в ста­ дии развития, не являются общепринятыми, противоречивы и пока не могут служить руководящим учебно-методическим мате* риалом.

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

Окисление-восстановление — химическая реакция, в которой одни из участвующих веществ окисляются, другие восстанавли­ ваются. Окислительно-восстановительные реакции играют боль­ шую роль. Такие процессы, как дыхание, усвоение углекислого га­ за растениями, усвоение пищи животными и растительными орга­ низмами, гниение органических веществ, горение топлива, вы­ плавка металлов и многие другие, есть реакции окисления-вос­ становления.

Окисление раньше понимали как химическую реакцию соеди­ нения какого-либо вещества с кислородом, а восстановление — как реакцию отнятия кислорода (кислородная теория окислениявосстановления).

Кислородная теория окисления-восстановления, предложенная в конце XVIII в. А. Лавуазье, сыграла большую роль в химии. Однако с течением времени накопилось много фактов, которые не могли быть объяснены этой теорией, и в начале XX в. была созда­ на электронная теория окислительно-восстановительных процес­ сов.

В настоящее время химические реакции подразделяют на две резко различные группы: 1) реакции, не связанные с изменением валентности; 2) реакции, сопровождающиеся изменением валент­ ности реагирующих веществ. В реакциях первой группы происхо­ дит образование молекул новых веществ, вызванное лишь перегруп­ пировкой атомов в иные сочетания. Примером могут служить реак­ ции обменного разложения:

Ва (ЫОз)9+ На$04= Ва504 -}- 2НЫ03;

РЬ (Ы03)2+ 2КЛ= РЬЛа + 2К Ш 3;

ИааО + 2НС1 = 2ЫаС1 + НаО;

2пО + Н2$ 0 4= 2п504 + На0 .

В реакциях второй группы происходит перезарядка некоторых атомов или ионов. При этом от одних атомов или ионов отходят электроны — увеличивается положительный или уменьшается от­ рицательный заряд; к другим атомам или ионам присоединяются электроны — уменьшается положительный или увеличивается от­ рицательный заряд. Например:

2Ыа« + С1а = 2Ыа С1:

+2 - 2

Ре° -}- $°=Ре5;

2А1° + ЗВг2 = 2А1Вгз;

Таким образом, 'к окислительно-восстановительным реакциям относят такие, в которых происходит перемещение электронов от одних атомов или ионов к другим. Если атомы или ионы теряют

электроны, то это процесс окисления, если же они приобретают электроны — процесс восстановления. Вещество, атомы и ионы которого присоединяют электроны, называют окислителем, а ве­ щество, отдающее электроны,.— восстановителем. Общее число электронов, отданных Восстановителем, всегда равно общему чис­ лу электронов, приобретенных окислителем. Отсюда легко можно найти коэффициенты при окислителе и восстановителе в уравне­ ниях окислительно-восстановительных реакций.

В уравнениях окислительно-восстановительных процессов за­ ряды частиц принято обозначать цифрами со знаками плюс или минус; цифра с плюсом означает количество потерянных (+ ) элект­ ронов, цифра с минусом -— приобретенных (—). Так, выражение

+ 2

2п2'1 (или 2п) означает,, что, атом цинка потерял два электрона, а

О2-—что атом кислорода приобрел два электрона* Для обозначь ния валентности атомов, входящих в состав молекул и ионов, знак

означают, что атом марганца в двуокиси марганца четырехвален­

тен, а в анионе (МпО^ "1семивалентен.

Методику составления уравнений окислительно-восстановитель­ ных реакций поясним на конкретных примерах.

Простейший пример окислительно-восстановительного процес­ са — получение водорода из растворов кислот под действием метал­ лов. Атомы металлов, отдавая электроны, служат восстановителя­ ми, а ионы водорода, приобретая электроны, — окислителями. Рассмотрим реакцию взаимодействия серной кислоты с цинком:

2п + Н25 0 4 = 2п804 -|- На.

Та же реакция в ионном виде:

Чтобы определить коэффициенты при восстановителе и окислите­ ле, составим вспомогательную электронную схему:

справа от вертикальной черты показывают, какие коэффициенты должны стоять перед восстановителем и окислителем.

Из схемы видно, что электронейтральный атом цинка отдал два электрона и превратился в положительный' двухзарядный ион цинка, а положительный однозарядный ион водорода принял один электрон и превратился, в электронейтральный атом водорода.

В более сложных окислительно-восстановительных реакциях целесообразно вначале писать формулы окислителя и восстанови­ теля, а затем формулы других веществ; которые необходимы для протекания данной реакций (кислота, щелочь или вода). Напри­ мер, при взаимодействии КМп04 с Н2$ в кислой среде образуются сульфат калия, сульфат марганца, вода и сера. Уравнение будет иметь вид:

КМп04 + Н23 + Н2504 К2804 + Мп504 + НаО + 5°.

Из уравнения видно, что валентность марганца изменилась от

+ 7 до +2. Следовательно, Мп+7 — окислитель и в процессе реак­ ции присоединяет пять электронов. Валентность серы изменилась от —2 до 0. Следовательно, ион серы из сероводорода — восстано­ витель, отдает два электрона.

Чтобы найти основные коэффициенты уравнения, составляем

Подставляем в уравнение реакции коэффициенты 2 и: 5 .перед соответствующими веществами:

2КМп0 4 + 5На8 + Н250 4 - Ка504 + 2Мп504 + НаО 4- 58. Необходимое количество молекул серной кислоты, определяю^ в последнюю очередь по кислотным остаткам 804“ 2 в правой ' части уравнения — в данном Случае три. Поэтому в левой части урав­ нения надо поставить три молекулы. На804. Следует помнить,

что во всех случаях коэффициенты для молекул веществ, обусло­ вливающих характер среды (кислота, щелочь, вода), подбирают в последнюю очередь.

Итак,, в окончательном виде уравнение вместе со вспомогатель­ ной электронной схемой будет иметь вид:

Справа от вертикальной черты при вспомогательной схеме ука­ заны коэффициенты для окислителя КМп04 и восстановителя НдЗ.

Практически Нет необходимости переписывать уравнение реак­ ции несколько раз — можно все операции произвести последова­ тельно с одним и тем же уравнением. Признаком правильности взятых коэффициентов является равенство числа атомов каждого элемента в обеих частях уравнения.

В кислой среде двухвалентное (закисное) железо окисляется семивалентным марганцем в трехвалентное (окисное) железо. Рас­ суждая, как в предыдущем примере, эту реакцию в конечном виде записываем так:

2КМп04 +10 Ре504 + 8Н2504 = = Ка504 + 2Мп504 + 8НаО+ 5Реа (50^

Если число электронов, теряемых восстановителей и приобре­ таемых окислителем, нечетное, а в результате реакции должно

Для получения свободного хлора в лабораторных условиях ис­ пользуют реакцию окисления ионов хлора соляной кислоты до свободного хлора. Здесь, кроме основной окислительной реакции, ионы хлора расходуются также на солеобразование. Таким обра­ зом, часть соляной кислоты окисляется, а часть участвует в солеобразовании. Эту неокисляющуюся часть кислоты, перед тем как писать уравнение в окончательном виде, целесообразно предвари­ тельно показать отдельно (тогда легче подбирать основные коэф­ фициенты). Например, получение хлора из соляной кислоты окис­ лением ее перманганатом калия можно записать в следующем виде:

Как видно из уравнения, марганец в кислой .среде из семива­ лентного переходит в двухвалентный, а ион хлора, теряя один электрон, окисляется до свободного хлора. Так. как образующиеся молекулы, хлора состоят из двух атомов, основные коэффициенты должны быть кратны двум. В данном уравнении коэффициенты при окислителе и восстановителе должны быть удвоены, иначе в правой части уравнения нельзя будет записать хлор в молекуляр­ ной форме.

Окончательный вид уравнения:

2КМпО, + 16НС1 = 2КС1 + 2МпС1в +

+ 8Н20 + 5С12.

При взаимодействии хромовокислого, калия с соляной кисло­ той шестивалентный'хром, принимая, три электрона, восстанавли­ вается в трехвалентный,, а ион хлора, теряя один электрон,, окис­ ляется в свободный хлор. Эта окислительно-восстановительная реакция записывается так:

2КаСг04 + 6НС1 +.10НС1 = 4КС12СгС13 4 - 8НаО -{- ЗС1а

или

2КаСг04 + 16НС1 = 4КС1 + 2СгС13 + 8НаО + ЗС12.

На скорость и направление окислительно-восстановительных реакций оказывает влияние рядфакторов: природа реагирующих веществ (электронное строение), концентрация, температура, ката­ лизаторы и среда, в которой протекает реакция.

" В зависимости от среды (кислая, щелочная или нейтральная) процесс окисления-восстановления может" протекать по-разному; В некоторых случаях реакцйя среды обусловливает даже измене­

в кислой среде

Регулируя реакцию среды, можно обеспечить течение процес­ са . в желательном направлении,

Реакции, при которых переход электронов происходит между атомами одной и той же молекулы, называют внутримолекулярны­ ми окислительно-восстановительными реакциями:

1) 2Н§0^2НЕ + Оа

Реакции окисления-восстановления широко используются в почвенных и агрохимических анализах, например для определе­ ния белкового азота и также калия в растениях, органического вещества и кальция в почве.

В промышленности реакции окисления-восстановления широко используют для получения многочисленных и разнообразных про­ дуктов: азотной кислоты— окислением аммиака; серной кисло­ ты — окислением серы и сернистого газа; фосфорной кислоты — окислением фосфора; чугуна — восстановлением окислов железа углем; маргарина — путем гидрогенизации жидких жиров. Мно­ гие металлы получают путем электролитического восстановления из их соединений, например алюминий из окиси алюминия.