Раздел 7 окислительно-восстановительные реакции
Цель работы: усвоить понятие степени окисления; изучить основные закономерности протекания реакций окисления-восстановления; познакомиться с наиболее важными окислителями и восстановителями и с практическим применением окислительно-восстановительных реакций.
Теоретическая часть Степень окисления
Одним из основных понятий химии является степень окисления, которая характеризует состояние атомов в молекулах и определяется природой химической связи.
При образовании связи между одинаковыми атомами (например, Н2, О2, Cl2) связывающая электронная пара расположена симметрично относительно ядер этих атомов — связь неполярная, атомы не имеют эффективных зарядов.
В случае взаимодействия атомов различных неметаллов (например, в соединениях НCl, СО2, Н2О) образуется ковалентная полярная связь: электронная пара частично смещена к более электроотрицательному атому. На этом атоме появляется эффективный отрицательный заряд, а на менее электроотрицательном — эффективный положительный заряд.
Если значения электроотрицательности взаимодействующих атомов различаются существенно (например, в соединениях типичных металлов и неметаллов NaCl, KI, Li2O), то электронная пара практически полностью переходит к более электроотрицательному атому, заряды на атомах становятся максимальными, атомы превращаются в ионы.
Алгебраическая сумма полярных связей, образованных атомом в данной молекуле, определяет его степень окисления, а направление смещения электронной пары определяет знак степени окисления («+» или «-»). Например, в молекуле воды атом кислорода образует по одной полярной связи с каждым атомом водорода. Значения электроотрицательности водорода и кислорода равны соответственно 2,2 и 3,5, поэтому электронные пары смещены к атому кислорода. Следовательно, степень окисления водорода равна +1, а кислорода –2.
Естественно, в ионных соединениях степень окисления атомов совпадает с зарядом их ионов. Поэтому формально степенью окисления называется заряд атома в молекуле, вычисленный исходя из предположения, что соединение состоит из ионов, а суммарный заряд ионов равен нулю.
Атомы некоторых элементов в соединениях имеют постоянную степень окисления, а большинство могут проявлять несколько значений. Для определения степени окисления используют следующие эмпирические правила.
1. В молекулах
простых веществ нет полярных связей,
поэтому степень окисления атомов в
простых веществах равна нулю (например,
).
2. Для водорода в
соединениях характерна степень окисления
+1, только в гидридах металлов она равна
-1; степень окисления кислорода обычно
равна –2, кроме пероксидов (-1) и соединения
с фтором
(+2);
фтор имеет постоянную степень окисления
-1.
3. Металлы 1 и 2 групп главных подгрупп таблицы Менделеева в соединениях имеют постоянную степень окисления, совпадающую с номером группы таблицы.
4. Молекула в целом электронейтральна, сумма степеней окисления всех элементов в молекуле равна нулю. В сложном ионе сумма степеней окисления всех атомов этого иона равна заряду иона.
Определим в качестве
примера степени окисления атомов
в некоторых соединениях. Для этого
обозначим неизвестную степень окисления
этих атомов черезx,
умножим степени окисления всех элементов
на число их атомов в соединении и составим
уравнения, из которых найдем x:
x
+ (-2) = 0 x
= +2
x
+ 3(+1) = 0 x
= -3
2(+1) + x
+ 4(-2) = 0 x
= +6
2(+1) + 2x
+ 7(-2) = 0 x
= +6
x
+ 3(-2) = -1 x
= +5
При устном расчете степени окисления удобно исходить из того, что в молекуле сумма отрицательных зарядов атомов равна сумме положительных зарядов.