10. Окислительно-восстановительные реакции

Для многих сложных веществ химические связи между атомами различных элементов несимметричны. Наиболее сильно неравномерность распределения электронов выражена в ионных соединениях, у которых валентные электроны почти полностью переходят от атома одного элемента к атому другого. Неравномерность распределения электронов между атомами в сложных соединениях называется окисленностью. Различают положительную и отрицательную окисленность. Первое понятие относится к элементам, электроны от которых смещаются к атомам других элементов; второе - характеризует элементы, к атомам которых смещаются электроны от первых. Число смещенных электронов называется степенью окисления (окисленности).

Степень окисления элементов в простых веществах равна нулю, а в соединениях она может быть либо неизменной, либо различной в зависимости от типа соединения. Постоянную степень окисленности демонстрируют фтор (-1), щелочные (+1) и щелочно-земельные (+2) металлы. Степень окисления водорода в большинстве случаев равна +1, а в гидридах металлов (LiH) она принимает значение -1. Степень окисленности кислорода в большинстве соединений равна -2, в перекисных соединениях она равна -1, а во фториде кислорода (OF₂) - +2.

В любом соединении сумма степеней окисления всех атомов равна нулю.

Пользуясь этим правилом и стандартными степенями окисленности водорода (+1), и кислорода (-2), можно определить степень окисления любого элемента. Степени окисления элементов, входящих в состав реагентов, могут либо изменяться в ходе реакции, либо оставаться неизменными.

Например, в реакции

Zn + HC1 = ZnCl₂ + Н₂

степень окисления цинка изменилась от 0 до +2, а водорода - от +1 до 0.

В реакции

НС1 + NaOH = NaCl + Н₂О

степени окисления всех элементов остались прежними.

Реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными реакциями.

Процесс отдачи электронов атомом (молекулой, ионом), сопровождающийся повышением степени окисления, называется окислением.

В отличие от этого процесс присоединения электронов атомом (молекулой, ионом), сопровождающийся понижением степени окисления, называется восстановлением.

Вещество, в состав которого входит окисляющийся элемент (или сам этот элемент) называется восстановителем, а вещество, содержащее восстанавливающийся элемент (или сам этот элемент), - окислителем. Так, в реакции образования хлорида натрия натрий способствует восстановлению хлора, значит, он - восстановитель. В то же время хлор, способствуя окислению натрия, является окислителем. Число электронов, отдаваемых атомами (молекулами, ионами) восстановителя, равно числу электронов, присоединяемых атомами (молекулами, ионами) окислителя, что обеспечивает электронейтральность любого продукта окислительно-восстановительной реакции.

Среди окислительно-восстановительных реакций различают реакции трех типов.

Во-первых, это реакции внутримолекулярного окисления-восстановления, которые идут с изменением степени окисления сразу нескольких атомов одной молекулы (в нашем примере в молекуле NaNO₃):

2NaNO₃  2NaNO₂ + O₂

Внизу под символами азота и кислорода указаны их степени окисления как в исходном нитрате натрия, так и в продуктах его разложения.

Во-вторых, это реакции межмолекулярного окисления-восстановления, которые протекают с изменением степени окисления атомов в молекулах разных веществ:

Сu + Hg(N0₃)₂  Cu(N0₃)₂ + Hg.

Как следует из уравнения этой реакции, медь и ртуть действительно либо являются простыми веществами, либо входят в состав разных молекул.

В-третьих, это реакции самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования):

2N0₂+ H₂0 = HN0₃ + HN0₂.

В таких реакциях атомы одного и того же элемента взаимодействуют друг с другом так, что одни из них окисляются, а другие - восстанавливаются (смотри уравнение реакции с указанными степенями окисления азота).

Пример 10.1. Определить степень окисленности углерода в соединениях СО, СО₂, СН₄, С₂Н₆, С₂Н₅ОН.

Решение:

Обозначим степень окисления углерода в каждом соединении через х и учтем, что, во-первых, все соединения электронейтральны, и, во-вторых, то, что водород и кислород в данных соединениях демонстрируют их стандартные степени окисления.

СО: х + (-2) = 0, откуда х = +2;

СО₂: х + 2(-2) = 0, откуда х = +4;

СH₄: х + 4(+1) = 0, откуда х = -4;

С₂H₆: 2х + 6(+1)= 0, откуда х = -3;

С₂H₅O 2х + 5(+1) + (-2) + (+1) = 0, откуда х = -2.

Ответ: Степень окисления углерода в соединениях СО равна +2, в СО₂ равна +4, в СН₄ равна -4, в С₂Н₆ равна -3, в С₂Н₅ОН равна -2.

Задачи

10.1. Определить степень окисленности серы в следующих соединениях:

1) SO₂;

2) H₂S;

3) Na₂SO₃;

4) CS₂;

5) H₂SO₄;

6) As₂S₃.

10.2. Определить степень окисленности хрома в следующих соединениях:

1) К₂Сr₂О₄;

2) Сr₂О₃;

3) Fe(CrO₂)₂;

4) K₂Cr₂O₇;

5) Cr₂(SO₄)₃;

6) Na₃[Cr(OH)J].

10.3. Указать, какие из приведенных процессов представляют собой окисление и какие - восстановление:

1) S  (SO₄)^2-;

2) S  S^2-;

3) Sn  Sn⁴⁺;

4) К  К⁺;

5) Вr₂  2Вr^- ;

6) N  NO₃.

10.4. Какие из приведенных реакций представляют собой окисление и какие - восстановление:

1) 2Н⁺  Н₂;

2) Н₂  2Н^-;

3) V²⁺  V0^3-;

4) Cl^-  (СlO₃)^-;

5) (IO₃)  I₂;

6) (MnO₄)^-  (MnO₄)^2-.

10.5. Указать, в каких из приведенных процессов происходит окисление азота и в каких - восстановление, как изменяется в каждом случае степень окисленности азота:

1) (NH₄)⁺  N₂;

2) (NO₃)^-  NO;

3) (NO₂)^-  (NO₃)^-;

4) NO₂  (NO₂)^-.

10.6. Какие из следующих реакций относятся к окислительно-восстановительным:

1) Н₂ + Вr₂ = 2НВr;

2) NH₄C1 = NH₃ + НС1;

3) NH₄NO₃ == N₂O + 2H₂O;

4) 2А1(ОН)₃ + 3H₂SO₄ = A1₂(SO₄)₃ + 6Н₂О.

10.7. Какие из перечисленных ниже реакций относятся к окислительно-восстановительным:

1) 2К₂СrO₄ + H₂SO₄= K₂Cr₂O₇ + K₂SO₄ + Н₂О;

2) Н₃ВО₃ + 4HF = HBF₄ +3H²O;

3) Fe + S = FeS;

4) Са(ОН)₂ + СО₂ = CaCO₃ + Н₂О.

10.8. Для следующих реакций указать, какие вещества и засчет каких именно элементов играют роль окислителей и какие - восстановителей:

1) SO₂ + Вr₂ + 2Н₂О = 2НВr + H₂SO₄;

2) Сu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + 2Н₂О;

3) 3I₂ + 6КОН = КIO₃ + 5KI + 3Н₂О;

4) 10HNO₃ + 4Са = 4Ca(NO₃)₂ + N₂O + 5Н₂О.

10.9. Какие из приведенных реакций относятся к реакциям межмолекулярного окисления-восстановления, к реакциям внутримолекулярного окисления-восстановления и к реакциям диспропорционирования:

1) 4КМnО₄ + 4КОН = 4К₂МnО₄ + О₂ + 2Н₂О;

2) H₂SO₃ + 2H₂S = 3S + 3Н₂О;

3) NH₄NO₃ = N₂ + ЗН₂0;

4) С1₂ + 2КОН = КС1 + КСl + Н₂О.

10.10. Какие из указанных реакций относятся к реакциям межмолекулярного окисления-восстановления, к реакциям внутримолекулярного окисления-восстановления и к реакциям диспропорционирования:

1) 4Р + 3КОН + 3Н₂О = РН₃ + 3КН₂РО₂;

2) 2Н₂О₂ = 2Н₂О +О₂;

3) 2KMnO₄ + 3MnSO₄ + 4H₂O = 5MnO₂ + K₂SO₄ + 2H₂SO₄;

4) Fe₂O₃ + 3Н₂ = 2Fe + ЗН₂O.

10.11. Какие из перечисленных ниже реакций относятся к окислительно-восстановительным:

1) Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂;

2) Cr₂(SO₄)₃ + 6RbOH = 2Cr(OH)₃+ 3Rb₂SO₄;

3) 2Rb + 2Н₂0 = 2RbOH + Н₂;

4) CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂ + Na₂SO₄.

10.12. Можно ли следующие реакции отнести к окислительно-восстановительным:

1) 2CuI₂ = 2CuI + I₂;

2) NH₄C1 + NaOH = NaCl + NH₃ + H₂O;

3) 2K₄[Fe(CN)₆] + Br₂ = 2K₃[Fe(CN)₆ + 2KBr;

4) Cu + Hg(N0₃)₂ = Cu(N0₃)₂ + Hg.

10.13. Среди приведённых реакций указать реакции диспропорцирования:

1) S + KOH  K₂SO₃ + K₂S + H₂S;

2) HCl + CrO₃  CrCl + Cl₂ + H₂O;

3) Au₂O₃  Au + O₂;

4) H₂O + Cl₂  HCl +HClO.

10.14. Какие реакции относятся к реакциям диспропорцирования:

1) HClO₃  ClO₂ + HClO₄;

2) N₂H₄  N₂ + NH₃;

3) AgNO₃  Ag + NO₂ + O₂;

4) 3K₂MnO₄ + 2H₂O  2KMnO₄ + MnO₂ + 4KOH.

10.15. В каких из указанных превращений кислород выполняет функции восстановителя:

1) Ag₂O  Ag + O₂;

2) F₂ + H₂O  HF + O₂;

3) HNO₃ + O₂  N₂ + H₂O;

4) AgNO₃ + KOH + H₂O₂  Ag + KNO₃ + O₂.

10.16. Определить степень окисления фосфора в:

1) PH₃;

2) Ca(H₂PO₄)₂;

3) P₂O₃;

4) Mg₃P₂.

10.17. Определить степень окисления меди в:

1) CuO₂;

2) Cu(NO₃)₂;

3) CuNO₃;

4) Cu(OH)₂CO₃.

10.18. Определить степень окисления серы в:

1) K₂SO₃;

2) Mg(HS)₂;

3) KAl(SO₄)₂;

4) NaHSO₄.

10.19.Определить степень окисления азота в:

1) NaNO₂; 2) KNO₃;

3) Ca₃N₂; 4) N₂O.

10.20. Каковы степени окисления и валентность углерода в следующих соединениях:

1) CH₄; 2) CH₃Cl;

3) CH₂Cl₂; 4) CHCl₃.

10.21. Какой атом или ион выполняет в приведённых реакциях функцию окислителя, а какой – функцию восстановителя:

1) (NH₄)₂Cr₂O₇  N₂ + Cr₂O₃ + H₂O;

2) KNO₃  KNO₂ + O₂;

3) AgNO₃  Ag + NO₂ + O₂;

4) Pb(NO₃)₂  PbO + NO₂ + O₂.

10.22. Для каждой из реакций указать, какое вещество окисляется, а какое – восстанавливается:

1) H₂S + O₂  SO₂ + H₂O;

2) S + HNO₃  H₂SO₄ + NO;

3) C + HNO₃  NO + H₂O.

4) NH₃ + O₂  NO + H₂O.

10.23. Исходя из степени окисления хлора в соединениях определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое из них может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему?

1) HCl; 3) HClO₃;

2) HClO₂; 4) HClO₄.

10.24. Могут ли происходить окислительно-восстановитель­ные реакции между веществами и почему?

1) PH₃ и HBr; 3) HNO₃ и H₂S;

2) K₂Cr₂O₇ и H₃PO₃; 4) НNO₃ и Zn.

10.25. Могут ли происходить окислительно-восстановитель­ные реакции между веществами и почему?

1) NH₃ и KMnO₄; 3) HCl и H₂Se;

2) HNO₂ и HI; 4) НNO₃ и Ca.