Раздел 7. Окислительно-восстановительные реакции. Электрохимические процессы

7.1. Понятие об окислительно-восстановительных реакциях

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР). Химичес-кие реакции, осуществляющиеся за счет полного или частичного перехода валентных электронов от одних атомных или молекуляр-ных частиц к другим, в результате которых изменяются степени окисления элементов. Например:

0 0 +2-2 +2 +4-2 +2 -2 +4-2

2Ca+O₂^2CaO; CaCO3 ^ CaO+CO₂

В первой реакции изменяются степени окисления элемен-тов, входящих в состав реагирующих веществ, во второй - нет, поэтому только первая из приведенных реакций относится к ОВР.

Во многих учебных и учебно-методических изданиях чис-ленное значение степени окисления ставят не только над зна-ком символа химического элемента, но и наверху справа,

-2

Например: H₂ S и H₂S-².

Процесс отдачи электронов, в результате которого сте­пень окисления повышается, называется акцией или процессом

окисления Ca - 2 e = Ca I а процесс присоединения электронов, в результате которого степень окисления элемента уменьшается, на-

(0 - -2\

зывается реакцией или процессом восстановления O 2 + 4e = 2 O .

В ОВР участвуют окислители и восстановители.

Окислители. Вещества, атомные или молекулярные части-цы, присоединяющие электроны в ходе окислительно-восстанови-тельных реакций и понижающие при этом степень окисления вхо­дящих в них атомов. Например:

0 0 +1-1

2Na+Cl2^2NaCl В этой реакции окислителем является хлор, степень окисле-ния которого понизилась (уменьшилась) от нуля до -1. Типичными окислителями являются атомы и молекулы неметаллов, катионы металлов, катион водорода, элементы в высшей степени окисле-

+6 +7

ния. Например: S в серной кислоте, Mn^в перманганате калия.

135

1. Реакции межмолекулярно -го окисления-восстановления

Восстановители. Вещества, атомные или молекулярные частицы, отдающие электроны в ходе окислительно-восстанови- тельных реакций и повышающие при этом степень окисления вхо­ дящих в них атомов. _{00 +1 -1}

Например: 2Na+ Cl₂ ® 2 Na Cl

В этой реакции восстановителем является натрий, сте-пень окисления которого повысилась (увеличилась) от нуля до +1. Типичными восстановителями являются мет-2ы, а также

элементы в низшей сте-1и окисления. Например:S в сульфиде

натрия, N в аммиаке, Cl в хлоридах.

В результате ОВР восстановитель окисляется, а окисли-тель восстанавливается. ОВР— единый взаимосвязанный процесс. Не может быть окисления без восстановления и наоборот. Число электронов, участвующих в процессах восстановления и окисления, должно быть одним и тем же. Это условие составляет основу нахождения стехиометрических коэффициентов в уравнении ОВР.

Следует также помнить, что в окислительно-восстанови-тельных реакциях степень окисления окислителя и восстановите-ля обязательно изменяется, тогда как валентность составляющих их атомов может и не изменяться, например:

H2 + Cl2 ® 2HCl(H - H + Cl - Cl ® 2H - Cl)

В этой реакции валентность водорода и хлора до и после реакции равна 1, тогда как степень окисления водорода измени-лась от 0 до +1, а хлора— от 0 до -1.

Типы окислительно-восстановительных реакций. Различа-ют три типа окислительно-восстановительных реакций: межмо-лекулярные, внутримолекулярные и реакции самоокисления— самовосстановления (диспропорционирования).

Классификация окислительно-восстановительных реак-ций основана на функциях, выполняемых окислителем и вос­становителем, а также на принадлежности окислителя и восста-новителя к разным или одинаковым соединениям.

Реакции межмолекулярного окисления-восстановления. Ре-акции, которые идут с изменением степени окисления атомов в молекулах разных веществ, т.е. окислитель и восстановитель при-надлежат разным молекулам (веществам).

Окислительно-восстановительные реакции

2. Реакции

внутримолекулярного окисления-восстановления

3. Реакции самоокисле­ния-самовосстановления (диспропорционирования)

0 0 +1-1

H2+Cl2®2HCl

C 0 a + S®C 2 aS

+5 -2 -1 0

2KClO₃®2KCl + 3O₂Т

+2-2 0 0

2HgO®2Hg + O2

0 -1 +1

Cl₂+H₂O®HCl + HClO

+5 -1 +7

4K ClO₃ ®K Cl + 3K ClO

4

Реакции внутримолекулярного окисления-восстановления.

Реакции, которые идут с изменением степени окисления/«иных атомов в одной молекуле, т.е. окислитель и восстановитель входят в состав одной молекулы. При этом атом с более высокой степе-нью окисления является окислителем и окисляет атом другого элемента с меньшей степенью окисления.

Реакции самоокисления - самовосстановления (диспропор-ционирования). Реакции, которые идут с изменением степени окисления одинаковых атомов в молекуле одного и того же веще-ства, т.е. функции окислителя и восстановителя выполняет один и тот же элемент. Эти реакции возможны для веществ, которые содержат атомы с промежуточной степенью окисления.

Сильные окислители. Вещества-окислители, выступающие в ОВР только (или, как правило) в качестве окислителей. Наи-более сильными окислителями из простых веществ являются га-логены, озон, кислород. Например, самым сильным окислите-лем является фтор. К сильным окислителям - сложным веще-ствам— относятся вещества, содержащие атомы элементов в

+5 +6^F +7 +6

высших степенях окисления: N, S , M n , C r и др.

Сильные восстановители. Вещества-восстановители, вы­ступающие в ОВР только в качестве восстановителей. Наибо­лее сильными восстановителями из простых веществ являются щелочные и щелочноземельные металлы, стоящие в начале ряда активности металлов, некоторые неметаллы. К сильным восстановителям— сложным веществам— относят вещества, со­держащие многие элементы (металлы и неметаллы) в низшей

136

137

-2 - - +2 +2

степени окисления: S , B r , I , F e , C r и др.

Количественной характеристикой активности (силы) вос-становителя и окислителя является стандартный окислительно-восстановительный потенциал. Стандартные значения таких по­тенциалов можно найти в специальных таблицах.

Окислительные свойства тем сильнее, а восстановитель-ные тем слабее, чем больше алгебраическая величина окислительно-восстановительного потенциала, и наоборот.

Восстановительные свойства тем сильнее, а окислитель-ные тем слабее, чем меньше алгебраическая величина стандартного окислительно-восстановительногопотенциала.