Лекция № 11. Окислительно-восстановительные реакции

Реакции, в результате которых изменяется степень окисления элементов, называются окислительно-восстановительными. Степень окисления – это условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что молекула состоит из ионов и в целом электронейтральна. Наиболее электроотрицательные элементы в соединении имеют отрицательные степени окисления, а атомы элементов с меньшей электроотрицательностью – положительные.

Определение степени окисления проводят, используя следующие положения:

1. Степень окисления элемента в простом веществе, например, в Zn, Сa, H₂, Вг₂, S, O₂, равна нулю (Na⁰; ).

2. Постоянную степень окисления в соединениях имеют щелочные металлы (+1); щелочно-земельные металлы, цинк и кадмий (+2); алюминий (+3); фтор (–1).

3. Cтепень окисления кислорода в соединениях обычно равна –2. Исключения составляют пероксиды H₂⁺¹O₂^–1, Na₂⁺¹O₂^–1 и фторид кислорода О⁺²F₂^¯.

4. Степень окисления водорода в большинстве соединений равна +1, за исключением солеобразных гидридов, например, Na⁺¹H^-1.

5. Алгебраическая сумма степеней окисления элементов в нейтральной молекуле равна нулю, в сложном ионе – заряду иона (Na⁺O^-2H⁺, ).

Степени окисления атомов остальных элементов рассчитывают, исходя из известных степеней окисления элементов и электронейтральности молекулы.

В качестве примера рассчитаем степень окисления хрома в соединении К₂Cr₂O₇ и азота в анионе (NO₂)^¯:

К₂⁺¹ Сr₂^х O₇ ^–2 (NO₂)^–

2(+1)+ 2x + 7 (–2) = 0 x = + 6 x + 2 (–2) = –1 x = + 3

Любую окислительно-восстановительную реакцию можно разделить на две полуреакции: окисление и восстановление, например:

Ca⁰ + Cl₂⁰ = Ca⁺²Cl₂^–1

восстановитель Ca⁰ – 2ē → Ca⁺² окисление

окислитель Cl₂⁰ + 2ē → 2Cl^– восстановление.

Окисление – процесс отдачи электронов, сопровождающийся повышением степени окисления элемента. Восстановление – процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления элемента. Окисление и восстановление – взаимосвязанные процессы, протекающие одновременно. Окислителями называют вещества (атомы, молекулы или ионы), которые в процессе реакции присоединяют электроны, восстановителями – вещества, отдающие электроны.

Соединения, содержащие атомы элементов с максимальной степенью окисления (HN⁺⁵O₃, KMn⁺⁷O₄, K₂Cr₂⁺⁶O₇), могут быть только окислителями за счет этих атомов, т.к. они уже отдали все свои валентные электроны и способны только принимать электроны. Соединения, содержащие атомы элементов с минимальной степенью окисления (HCl^-1, H₂S^-2), могут служить только восстановителями, поскольку они способны лишь отдавать электроны, потому что внешний энергетический уровень у таких атомов завершен восемью электронами. Соединения, содержащие атомы элементов с промежуточной степенью окисления (Na₂S⁺⁴O₃, KN⁺³O₂), могут быть и окислителями и восстановителями, в зависимости от партнера, с которым взаимодействуют и от условий реакции, т.е. проявляют окислительно-восстановительную двойственность.