Окислювально-відновні реакції

Окислювально-відновними називаються реакції, що супроводжуються зміною ступеня окислювання атомів, що входять до складу реагуючих речовин. Під ступенем окислювання (п) розуміють той умовний заряд атома, що обчислюється виходячи з припущення, що молекула складається тільки з іонів. Іншими словами: ступінь окислювання – це той умовний заряд, що придбав би атом елемента, якщо припустити, що він прийняв або віддав те або інше число електронів.

Окислювання-відновлення це єдиний, взаємозалежний процес. Окислювання приводить до підвищення ступеня окислювання відновника, а відновлення – до її зниження в окислювача.

Підвищення або зниження ступеня окислювання атомів відображається в електронних рівняннях; окислювач приймає електрони, а відновник їх віддає. При цьому не має значення, чи переходять електрони від одного атома до іншого цілком і утворюються іонні зв’язки або електрони тільки відтягаються до більш електронегативного атома і виникає полярний зв’язок. Про здатності тієї або іншої речовини виявляти окислювальні, відновні або двоїсті (як окислювальні, так і відновні) властивості можна судити по ступеню окислювання атомів окислювача і відновника.

Атом того або іншого елемента у своєму вищому ступені окислювання не може його підвищити (віддати електрони) і виявляє тільки окислювальні властивості, а у своєму нижчому ступені окислювання не може його понизити (прийняти електрони) і виявляє тільки відновні властивості. Атом же елемента, що має проміжний ступінь окислювання, може виявляти як окислювальні, так і відновні властивості.

Наприклад:

При окислювально-відновних реакціях валентність атомів може і не змінюватися. Наприклад, в окислювально-відновній реакції H₂⁰ + Cl₂⁰ = 2НС1 валентність атомів водню і хлору до і після реакції дорівнює одиниці. Змінився їхній ступінь окислювання. Валентність визначає число зв’язків, утворених даним атомом, і тому знака не має. Ступінь же окислювання має знак плюс або мінус.

Приклад 1. Виходячи зі ступеня окислювання (n) азоту, сірки і марганцю в сполуках NH₃, HNO₂, НNО₃, H₂S, Н₂SО₃, Н₂SО₄, МnО₂, KMnO₄, визначте, які з них можуть бути тільки відновниками, тільки окислювачами і які виявляють як окислювальні, так і відновні властивості.

Рішення. Ступінь окислювання n(N) у зазначених сполуках відповідно дорівнює: –3 (нижча), +3 (проміжна), +5 (вища); n(S) відповідно дорівнює: –2 (нижча), +4 (проміжна), +6 (вища); n(Мn) відповідно дорівнює: +4 (проміжна), +7 (вища). Звідси: NH₃, H₂S – тільки відновники; НNО₃, Н₂SО₄, KMnO₄ – тільки окислювачі; HNO₂, Н₂SО₃, МnО₂ – окислювачі і відновники.

Приклад 2. Чи можуть відбуватися окислювально-відновні реакції між наступними речовинами: а) H₂S і HI; б) H₂S і H₂SO₃ ; в) H₂SO₃ і HClО₄ ?

Рішення, а) Ступінь окислювання в H₂S n(S) = –2; у HI n (I) = –1. Оскільки і сірка, і иод знаходяться у своєму нижчому ступені окислювання, то обидві узяті речовини виявляють тільки відновні властивості і взаємодіяти один з одним не можуть; б) у H₂S n(S) = –2 (нижча); у H₂SO₃ n(S) = +4 (проміжна). Отже, взаємодія цих речовин можлива, причому H₂SO₃ є окислювачем; в) у H₂SO₃ n(S) = +4 (проміжна); у HClО₄ n(CI) = +7 (вища). Узяті речовини можуть взаємодіяти H₂SO₃ у цьому випадку буде виявляти відновні властивості.

Приклад 3. Складіть рівняння окислювально-відновної реакції, що йде за схемою:

KMn⁺⁷O₄ + Н₃Р⁺³О₃ + H₂SO₄ → Mn⁺²SO₄ + Н₃Р⁺⁵O₄ + K₂SO₄ + Н₂О

Рішення. Якщо в умові задачі задані як вихідні речовини, так і продукти їхньої взаємодії, то написання рівняння реакції зводиться, як правило, до визначення і розміщення коефіцієнтів. Коефіцієнти визначають методом електронного балансу за допомогою електронних рівнянь. Обчислюємо, як змінюють свій ступінь окислювання відновник і окислювач, і відображаємо це в електронних рівняннях:

Загальне число електронів, відданих відновником, повинне дорівнювати числу електронів, що приєднує окислювач. Загальне найменше кратне для відданих і прийнятих електронів десять. Розділивши це число на 5, одержуємо коефіцієнт 2 для окислювача і продукту його відновлення, а при діленні 10 на 2 одержуємо коефіцієнт 5 для відновника і продукту його окислювання. Коефіцієнти перед речовинами, атоми яких не змінюють свій ступінь окислювання, знаходять підбором. Рівняння реакції буде мати вигляд:

2KMnО₄ + 5H₃PO₃ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5H₃PO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

Приклад 4. Складіть рівняння реакції взаємодії цинку з концентрованою сульфатною кислотою, враховуючи максимальне відновлення останньої.

Рішення. Цинк, як будь-який метал, виявляє тільки відновні властивості. В концентрованій сульфатній кислоті окисну функцію несе сірка (+6). Максимальне відновлення сірки означає, що вона здобуває мінімальний ступінь окислювання. Мінімальний ступінь окислювання сірки як p-елемента VI-A групи дорівнює –2. Цинк як метал II-В групи має постійний ступінь окислювання +2. Відображаємо сказане в електронних рівняннях;

Складаємо рівняння реакції:

4Zn + 5H₂SO₄ = 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O

Перед H₂SO₄ стоїть коефіцієнт 5, а не 1, оскільки чотири молекули H₂SO₄ йдуть на зв’язування чотирьох іонів Zn^2+.