1.4.8. Реакции окислительно-восстановительные. Коррозия металлов и способы защиты от нее.

Любая окислительно-восстановительная реакция состоит из процессов окисления и восстановления.

Окисление – это отдача электронов элементом, т. е. повышение его степени окисления.

Восстановителем называется вещество, в состав которого входит элемент, повышающий степень окисления. К типичным восстановителям относятся простые вещества, имеющие малую электроотрицательность (металлы, водород и др.), катионы и анионы, атомы которых находятся в низких или низших степеней окисления. Низшая степень окисления для неметаллов равна номеру группы минус 8.

Восстановление – принятие электронов элементом или понижение его степени окисления.

Окислителем называется вещество, в состав которого входит элемент, понижающий степень окисления. Типичными окислителями являются простые вещества, атомы которых имеют высокую электроотрицательность (галогены, кислород), катионы и анионы, атомы которых имеют высокую или высшую степень окисления. Высшая степень окисления атома равна номеру группы, в которой он находится.

Многие вещества, в зависимости от партнера и условий проведения реакции могут быть как восстановителями, так и окислителями. В этом случае говорят об окислительно-восстановительной двойственности.

Уравнения окислительно-восстановительных реакций представляет иногда сложную задачу, поэтому для облегчения уравнивания предложено несколько методов. Наиболее часто используются метод полуреакций, электронного баланса и по изменению степени окисления.

Рассмотрим правила определения степеней окисления в соединениях.

1. Степень окисления элемента в простых соединениях (состоят из одного типа химических элементов: Н₂, Р₄, Fe) равна нулю.

2. Водород в большинстве соединений имеет степень окисления +1, но в соединениях с металлами (гидридах: NaH, CaH₂) она равна –1.

3. Кислород имеет степень окисления –2, за исключением пероксидов (Н₂О₂ и др.), где степень окисления равна –1.

4. Фтор во всех соединениях имеет степень окисления –1.

5. Металлы в соединениях имеют положительную степень окисления. Кроме того:

первая группа, главная подгруппа (щелочные металлы) +1;

вторая группа вся, кроме ртути +2;

алюминий +3.

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

Степень окисления указывается над символом атома со знаком плюс или минус впереди.

.

Пример.

Определить степени окисления в соединениях Са(ClO₂)₂ и NH₄NO₃.

Решение.

В Са(ClO₂)₂ известны степени окисления кальция (II группа) +2 и кислорода –2. Обозначив степень окисления хлора за «х», составляем уравнение и находим неизвестную степень окисления.

2 + 2^.(х + 2(–2)) = 0; 2 + 2х – 8 = 0; х = +3. Хлор в этом соединении имеет степень окисления +3.

NH₄NO₃ – нитрат аммония является солью азотной кислоты HNO₃, в которой азот имеет степень окисления +5 (1 + х + 3(–2) = 0); х=+5. В NH₄NO₃ х + 4^.(+1) + 5 + 3^.(–2) = 0; х = –3.

В этом соединении азот имеет две степени окисления +5 в нитрат ионе и –3 в катионе аммония.

Рассмотрим составление уравнения окислительно-восстановительной реакции по методу электронного баланса на примере реакции

Fe₂O₃ + Br₂ + KOH = K₂FeO₄ + KBr + H₂O

1. Расставим степени окисления у элементов в данном уравнении, согласно правилам, изложенным выше.

2. Видим, что у железа степень окисления повышается (это полуреакция окисления), а у брома – понижается (полуреакция восстановления). Запишем эти две полуреакции с указанием электронов, отдаваемых восстановителем и принимаемых окислителем.

Необходимо, чтобы число отданных и принятых электронов было равно, поэтому первую полуреакцию умножим на 2, а вторую на 3.

Расставим коэффициенты в основном уравнении. должно быть 2 моль. ВFe₂O₃ уже есть 2 моль железа, поэтому коэффициент перед этой молекулой равен единице. Br₂ должно быть 3 моль; – 2 моль, аKBr – 6 моль.

Fe₂O₃ + 3Br₂ + KOH = 2K₂FeO₄ + 6KBr + H₂O

Метод электронного баланса позволяет расставить коэффициенты только перед окислителем и восстановителем, остальные расставляются методом подбора. Сначала уравнивается калий, потом водород, а кислород в последнюю очередь.

В правой части 10 калия, ставим 10 перед КОН. Стало 10 моль водорода в левой части, ставим 5 перед водой. Количество кислорода при правильной расстановке оказывается уравнено самостоятельно.

Fe₂O₃ + 3Br₂ + 10KOH = 2K₂FeO₄ + 6KBr + 5H₂O

Fe₂O₃ в этой реакции будет восстановителем, а Br₂ – окислителем.

Так как окислитель и восстановитель находятся в разных соединениях, то тип ОВР называется межмолекулярный

Яркий опыт протекает при разложении оранжевого дихромата аммония, в результате которого образуются газообразный азот, вода и темно-зеленый оксид хрома(III). Это реакция «вулкан».

1. Расставим степени окисления у элементов в данном уравнении, согласно правилам, изложенным выше.

2. Видим, что у азота степень окисления повышается (это полуреакция окисления), а у хрома – понижается (полуреакция восстановления). Запишем эти две полуреакции с указанием электронов, отдаваемых восстановителем и принимаемых окислителем.

Расставим коэффициенты перед окислителем и восстановителем в уравнении.

должно быть 2 моль. В дихромате аммония уже есть 2 моль азота.

должно быть 2 моль. В молекуле азота уже есть 2 моль азота.

В дихромате аммония и в оксиде хрома(III) уже есть по 2 моль хрома. Значит перед дихроматом аммония, азотом и оксидом хрома(III) должны стоять единицы, которые обычно не ставятся.

Уравниваем водород, для этого перед водой ставим 4. Кислород сам уравнялся.

В этом уравнении и элемент окислитель, и элемент восстановитель находятся в одном соединении, но это разные элементы. Такой тип ОВР называется внутримолекулярный.

Аокислителем и восстановителем будет являться одно и то же соединение –дихромат аммония