Тема 6. Окислительно-восстановительные электрохимические процессы

Окислительно-восстановительные процессы относятся к числу распространенных химических реакций. Дыхание, усвоение СО₂ растениями с выделением О₂, обмен веществ и ряд биологических процессов в основе своей имеют окислительно-восстановительные реакции.

Сжигание топлива в двигателях внутреннего сгорания, электролитическое осаждение металлов, процессы, происходящие в гальванических элементах и аккумуляторах, включают реакции окисления-восстановления.

Получение металлов, простых веществ, ценных химических продуктов (аммиака, щелочей, HNO₃,H₂SO₄), производство строительных материалов, пластмасс, медикаментов основано на окислительно-восстановительных процессах.

6.1. Основные понятия

Реакции, в результате которых изменяются степени окисления элементов, называются окислительно-восстановительными.

Например,

.

Любая окислительно-восстановительная реакция состоит из двух процессов, или полуреакций: окисления и восстановления. Реакция состоит из двух полуреакций:

окисление цинка

и восстановление водорода .

Вещества, входящие в полуреакцию, образуют сопряженную пару. Один их компонентов называют окисленной формой – Ох, другой – восстановленной формой – Red.

^;

Ox Red Ox Red

Окисленная форма образована элементом в более высокой степени окисления, восстановленная форма – элементом в более низкой степени окисления. Степень окисления изменяется у Zn от 0 до +2, у водорода от +1 до 0. Продуктами реакции являются новые окислитель и восстановитель, более слабые, чем исходные:

Ox₁ + Red₂ → Ox₁ + Red₂

Окисление – это процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом.

.

Атом, молекула или ион, отдающий электроны называется восстановителем.

Восстановление – процесс присоединения электронов атомом, молекулой, ионом

; ;.

Атом, молекула или ион, принимающий электроны называется окислителем.

В большинстве случаев происходит не перенос электронов, а смещение электронного облака, поэтому правильнее говорить об изменении электронной плотности.

Степень окисления – это условно приписываемые заряды, которые могут приобрести атомы элемента, если бы они отдали или присоединили некоторое число электронов.

Степень окисления может иметь положительное, нулевое и отрицательное значение.

Величина положительной степени окисления определяется числом электронов, оттянутых от данного атома. Обозначается «+».

Отрицательная степень окисления приписывается атомом, притянувшим к себе электроны равной числу притянутых электронов и обозначается «–».

Правила определения степени окисления

1. Атомы кислорода имеют степень окисления «-2», за исключение окиси фтора О⁺²F₂ и пероксидов .

2. Атомы водорода во всех соединениях имеют степень окисления «+1» за исключением гидридов металла (Li⁺H^-).

3. Степень окисления элемента в простом веществе (О₂, Н₂, Na, C) равна нулю.

4. Степень окисления атомов в ионных соединениях для данного иона равна по знаку и величине его электрическому заряду .

5. В соединениях с ковалентной полярной связью, атомы элементов с большей величиной электроотрицательности имеют «–» степень окисления, а с меньшей электроотрицательностью «+» степень окисления.

.

6. Степень окисления атомов в органических соединениях, определяется также, как и в ковалентно-полярных соединениях.

7. Алгебраическая сумма степеней окисления элементов в нейтральной молекуле равна нулю, в сложном ионе – заряду иона.

Различают 3 типа окислительно-восстановительных реакций:

1. Межмолекулярные – к ним относятся реакции, в которых окислитель и восстановитель находятся в разных веществах (например, рассмотренная выше реакция);

2. Внутримолекулярные – реакции, в которых окислитель и восстановитель находятся в одном и том же веществе, например в реакциях термического разложения:

3. Диспропорционирования – реакции, в которых участвуют молекулы, атомы, ионы, проявляющие и окислительные, и восстановительные свойства: