Окислительно-восстановительные реакции

На сегодняшнем уроке мы рассмотрим следующий признак, по которому возможна классификация реакций, – изменение степеней окисления атомов химических элементов.

Окислительно-восстановительными реакциями называют химические реакции, в результате которых происходит изменение степеней окисления атомов химических элементов или ионов, образующих реагирующие вещества.

Например, запишем уравнение реакции взаимодействия магния с соляной кислотой с указанием степеней окисления всех химических элементов:

2H⁺¹Cl^-1 + Mg⁰ = Mg⁺²Cl₂^-1 + H₂⁰ ↑.

Мы видим, что атомы двух элементов – водорода и магния - изменили свои степени окисления. Магний с 0 до +2, а водород с +1 до 0.

Значит, каждый атом магния в этой реакции отдал по два электрона:

Mg⁰ – 2 е^- → Mg⁺².

А каждый атом водорода получил по одному из этих электронов:

2H⁺¹ + 2 е^- → H₂⁰.

Таким образом, атомы водорода подверглись процессу восстановления.

Под восстановлением понимают процесс присоединения электронов атомами, ионами или молекулами.

Степень окисления при этом всегда понижается.

Запишем еще несколько примеров присоединения электронов к атомам элемента, то есть восстановления:

N⁺⁵ + 3 e^- → N⁺² (атом азота понизил степень окисления с +5 до +2 после присоединения трех электронов);

Fe⁺³ + 1 e^- → Fe⁺² (атом железа понизил степень окисления с +3 до +2 после присоединения одного электрона);

F⁰ + 1 e^- → F^-1 (атом фтора понизил степень окисления с 0 до -1 после присоединения одного электрона).

В приведенных нами примерах все атомы элементов приняли электроны, то есть выступили окислителями.

Атомы, ионы или молекулы, принимающие электроны, называют окислителями.

А теперь вернемся к приведенному выше уравнению реакции взаимодействия магния и соляной кислоты, где атомы магния отдавали электроны:

Mg⁰ – 2 е^- → Mg⁺² (атом магния изменил степень окисления с ноль на плюс два после того, как отдал два электрона).

В данном примере атомы магния подверглись окислению.

Под окислением понимают процесс отдачи электронов атомами, ионами или молекулами.

Степень окисления при этом всегда повышается.

Приведем примеры окисления других атомов:

Fe⁰ - 2 e^- → Fe⁺² (атом железа повысил степень окисления с 0 до +2, присоединив два электрона);

Са⁰ - 2 е^- → Са⁺² (атом кальция повысил степень окисления с 0 до +2, присоединив два электрона);

S^-2 – 2 e^- → S⁰ (атом серы повысил степень окисления с -2 до 0, присоединив два электрона).

В приведенных нами примерах все атомы элементов отдали электроны, то есть выступили восстановителями.

Атомы, ионы или молекулы, отдающие электроны, называют восстановителями.

Во всех химических реакциях окисление всегда сопровождается восстановлением, а восстановление окислением.

То есть, рассматривая окислительно-восстановительные реакции, мы всегда знаем, что число электронов до реакции и после нее останется неизменным. И если атомы одного элемента в ходе реакции отдадут электроны, повысив степень окисления, то атомы другого их обязательно примут, понизив свою степень окисления. В результате реакции магний меняет степень окисления на плюс два, хлор сохраняет степень окисления минус один, водород меняет степень окисления с плюс один на ноль.

Таким образом, соблюдается электронный баланс реакции.

Это позволяет использовать метод электронного баланса для записей электронных уравнений процесса окисления и восстановления.

Например, запишем реакцию взаимодействия алюминия с сульфатом цинка следующей схемой:В результате реакции алюминий меняет степень окисления с ноль до плюс три, цинк меняет степень окисления с плюс два на ноль.

Электронные уравнения атомов элементов изменивших свои степени окисления будут иметь следующий вид:

Далее записываем молекулярное уравнение этой реакции, используя коэффициенты, взятые из электронных уравнений:

2Al + 3ZnSO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3Zn.

Пользуясь методом электронного баланса, можно расставить коэффициенты в любом, даже сложном уравнении, окислительно-восстановительной реакции.

Например, запишем схему взаимодействия фосфора с концентрированной серной кислотой. В результате этой реакции получаются фосфорная кислота, оксид серы (IV) и вода:

Р + H₂SO₄ → H₃PO₄ + SO₂ + H₂O.

Укажем степени окисления элементов до и после реакции. Подчеркнем знаки химических элементов изменивших степень окисления.

В нашем уравнении реакции это сера и фосфор.

Составляем электронные уравнения, отразив процесс присоединения и отдачи электронов.

Запишем коэффициент 2 перед фосфором в левой части уравнения и перед формулой фосфорной кислоты в правой части уравнения. Коэффициент 5 перед формулой серной кислоты в левой части и формулой оксида серы (IV) в левой:

2Р + 5H₂SO₄ → 2H₃PO₄ + 5SO₂ + H₂O.

Теперь уравняем число атомов водорода в левой и правой части уравнения. До реакции число атомов водорода равно десять (5*2=10). Чтобы уравнять, ставим перед формулой воды коэффициент 2.

2Р + 5H₂SO₄ → 2H₃PO₄ + 5SO₂ + 2H₂O

Проверяем правильность расстановки коэффициентов подсчетом атомов кислорода до и после реакции. До реакции число атомов кислорода равно двадцати 20 (5*4), после реакции оно так же равно 20 (8 – в фосфорной кислоте (2*4) + 10 в оксиде серы (IV) (2*5) + 2 в молекуле воды).

Таким образом, коэффициенты расставлены правильно, можно заменить в схеме стрелку на знак равно, указав, что уравнение составлено:

2Р + 5H₂SO₄ = 2H₃PO₄ + 5SO₂ + 2H₂O.

Если нам известна формула вещества, то по ней мы сможем определить степени окисления химических элементов в этом веществе, а также какие свойства будет проявлять тот или иной элемент: восстановительные, или окислительные.

Например, фосфор в фосфорной кислоте имеет максимальное значение степени окисления +5. Это значит, что в составе этой молекулы он потерял максимальное количество электронов и теперь сможет проявлять только окислительные свойства, то есть «забирать» электроны.

В то же время в составе молекулы фосфина РН₃ фосфор имеет минимальное значение степени окисления -3 и сможет проявлять только восстановительные свойства, то есть «отдавать» электроны.

В свободном же состоянии, имея степень окисления 0, фосфор сможет проявлять как окислительные свойства (например, в реакциях с металлами. Т ак и восстановительные свойства (во взаимодействии с водородом.

Среди химических веществ одни вещества выступают окислителями чаще других. Эти вещества относятся к основным окислителям.

Основные окислители: кислород, галогены, азотная и серная кислоты, перманганат калия KMnO₄ и так далее.

Вещества же, которые чаще всего выступают восстановителями, относятся к основным восстановителям.