загрузка...
 
5.3. Процессы окисления и восстановления. Окислители и восстановители
Повернутись до змісту

5.3. Процессы окисления и восстановления. Окислители и восстановители

В окислительно-восстановительных реакциях причиной изменения степеней окисления может быть смещение электронов от одного реагента (восстановителя) к другому (окислителю). Это смещение принимают за полный переход электронов от атомов одного элемента к атомам другого.

Рассмотрим горение кальция в кислороде согласно уравнению

2Са + О2  2CaО.

Этот процесс можно рассматривать как переход двух электронов от атома кальция к атому кислорода, вследствие чего образуются отрицательно заряженные ионы кислорода, которые приобретают стабильную электронную конфигурацию 2s22p6:

О0 + 2?  O2–.

У атома кальция, который отдает два 4s-электрона и превращается в положительный ион, тоже появляется стабильная электронная конфигурация (3s23p6):

Са0 – 2?  Ca2+.

Процесс отдачи электронов, называется окислением. При этом степень окисления повышается.

Например, процессы окисления:

          .

Процесс присоединения электронов называется восстановлением. При этом степень окисления уменьшается. Например, процессы восстановления:

          .

Вещество, содержащее атомы элемента, которые присоединяют электроны, называется окислителем.

Вещество, атомы элемента которого отдают электроны, называется восстановителем.

Оба процесса являются обязательными и происходят одновременно (рис. 5.11):

Пример 5.2. Определить процессы окисления и восстановления в приведенных схемах:

а) ; б) .

Решение. а) В переходе  степень окисления серы повышается от 0 до +4, то есть атом серы отдает электроны. Это процесс окисления:

Рисунок 5.11 – Взаимозависимость процессов окисления и восстановления

 

                 сера является восстановителем.

б) В переходе степень окисления алюминия снижается от +3 до 0, атом алюминия присоединяет электроны. Это процесс восстановления:

  алюминий является окислителем.

Пример 5.3. Какой процесс – окисление или восстановление – происходит в переходе I2 ?IO65–?

Решение. Определяем степени окисления элемента йода в I2 и в ионе IO65–: они равны 0 и +7 соответственно. Видно, что атомы йода повысили свою степень окисления, следовательно I2 окислился:

I20 – 14? ? 2I+7 (процесс окисления).

Окислительно-восстановитель-ные свойства веществ зависят от многих факторов (рис. 5.12): строения атомов и положения элементов в периодической системе, а также от значения степени окисления элементов, входящих в состав соединения.

В малых периодах с возрастанием порядкового номера элемента уменьшается атомный радиус,

 

Рисунок 5.12 – Сравнительная шкала для качественной оценки окислительно-восстановительных способностей некоторых катионов и анионов

а количество валентных электронов на внешнем слое увеличивается, поэтому ослабляется способность атома отдавать электроны и, наоборот, усиливается способность присоединять их, т. е. восстановительные свойства уменьшаются, а окислительные – возрастают.

В главных подгруппах по мере увеличения заряда ядра возрастает как количество электронных слоев, так и радиус атома, внешние электроны размещаются все дальше от ядра и сильнее экранируются внутренними электронными слоями. По этой причине облегчается отдача электронов (следовательно, усиливается восстановительная активность) и затрудняется их присоединение (ослабляются окислительные свойства атомов элементов).

Типичные восстановители

1. Нейтральные атомы металлов и некоторых неметаллов (Н2, В, С, Si). Особенно важны металлы ІА-, ІІА-подгрупп, Al, Zn, Fe. Восстановительные свойства металлов в реакциях, протекающих в водных растворах, уменьшаются от начала к концу ряда напряжений металлов:

В химических реакциях металлы отдают электроны и окисляются по схеме

Ме0 – n?  Ме+n.

2. Отрицательно заряженные ионы неметаллов En–. Например, сульфид-ион может окисляться до свободной серы S0 и до более высоких степеней окисления:

При одинаковом отрицательном заряде восстановительные свойства ионов возрастают с увеличением атомного радиуса. Так, среди галогенид-ионов восстановительные свойства усиливаются в ряду: Cl–1, Br–1, I–1. Фторид-ион F–1 восстановительных свойств вообще не проявляет.

К этой группе восстановителей относятся гидриды щелочных и щелочно–земельных металлов (NaН, CaН2), содержащие гидрид-ион Н–, который легко окисляется:

3. Ионы некоторых металлов в низких степенях, например:

4. Сложные ионы или молекулы, содержащие атомы в промежуточных степенях окисления, например:

Типичные окислители

1. Нейтральные атомы и молекулы неметаллов. Самые сильные окислители среди простых веществ размещаются в VІІА- и VІА-подгруппах, а наиболее слабые – атомы элементов ІVА-подгруппы. В пределах одной подгруппы с возрастанием порядкового номера окислительные свойства убывают, поэтому наиболее активным окислителем является фтор:

F20  + 2?  2F–1,

O20 + 4?  2O–2,

C0  + 4? v C– ,

Cl20 + 2?  2Cl–1.

2. Положительно заряженные ионы металлов. Окислительные свойства ионов металлов уменьшаются от конца ряда напряжений к его началу, т. е. самый сильный окислитель среди положительно заряженных ионов металлов – катион золота (+3):

Au+3 + 3?  Au0,

Cu2+ + 2?  Cu0.

Если для металла возможны переменные степени окисления, то его окислительные свойства тем сильнее, чем более высокую степень окисления проявляют атомы металла. Например, Cu3+ более сильный окислитель, чем Cu2+.

3. Положительно заряженные ионы водорода Н+ окисляют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, а сами при этом восстанавливаются:

2Н+1 + 2?  H2о.

4. Сложные молекулы или ионы, содержащие атомы элементов в максимальной (или достаточно высокой) степени окисления: концентрированные H2SO4 и HNO3 и их соли; кислотные остатки ClО3–, MnО4–, MnО42–, CrО42–, Cr2O72– и т. п.

Степень окисления, которую проявляют атомы элемента в конкретном соединении, существенным образом влияет на окислительно-восстановительные свойства:

с повышением степени окисления увеличивается окислительная способность атомов элемента, а с пониженим, наоборот, усиливаются их восстановительные свойства.

Для примера рассмотрим ряд азотсодержащих соединений:

Азотная кислота HNO3, в которой азот (+5) находится в максимальной степени окисления, проявляет только окислительные свойства и может только восстанавливаться по одной из схем:

Аммиак NH3 содержит азот (–3) в минимальной степени окисления, поэтому он является только восстановителем и может только окисляться, например:

Соединения, в которых азот находится в промежуточных степенях окисления (от +4 до –2), в зависимости от условий могут проявлять как окислительный, так и восстановительный характер. Такая способность называется окислительно-восстановительной двойственностью, например:

                                 ,

                                     .

Вещества, содержащие атомы элементов в промежуточной степени окисления, в зависимости от условий реакции могут проявлять либо восстановительные, либо окислительные свойства.

Характерным примером может служить пероксид водорода Н2О2 и другие пероксиды, которые с более сильными восстановителями ведут себя как окислители:

а с более сильными окислителями – как восстановители:

Эти процессы можно записать так:

Аналогичные свойства характерные и для многих других соединений, например:

азотистая кислота HNO2 и ее соли нитриты, в состав которых входит нитрит-ион NO2–:

 сернистая кислота H2SO3 и ее соли сульфиты, содержащие сульфит-анион SO32–:

свободные галогены (кроме фтора F2), например, йод:

фосфор – P:

свободная сера S:

Общий вывод об окислительной и восстановительной способности веществ:

1. Атомы элементов в максимальных степенях окисления могут только принимать электроны и проявлять в окислительно-восстановительных реакциях исключительно окислительные свойства. Например: HN+5O3, HCl+7O4, H2S+6O4 KMn+7O4, K2Cr+62O7

2. Атомы элементов в минимальных степенях окисления могут только отдавать электроны и проявлять только восстановительные свойств. Например: Mg0, Al0, Fe0, N–3H3, H2S–2, HCl–1.

Атомы элементов в промежуточных степенях окисления могут как принимать, так и отдавать электроны, поэтому в зависимости от условий способны проявлять окислительно-восстановительную двойственность. Например: N+2О, KN+3O2,  N+4О2, Н2S+4О3, Н2O2–1.

Пример 5.4. Какие свойства будут проявлять атомы элемента марганца в соединениях: KMnO4, MnO2, MnSO4, Mn?

Решение. В соединении  марганец (+7) имеет максимальную степень окисления. Поэтому атомы марганца (+7) могут только принимать электроны (быть окислителем) по одной из схем:

Окислитель                ,

Окислитель                ,

Окислитель                ,

Окислитель                .

В соединении  марганец (+4) имеет промежуточную степень окисления. Он может принимать или отдавать электроны, то есть может быть и окислителем, и восстановителем:

Восстановитель                     ,

Окислитель                .

В соединении  марганец (+2) находится тоже в промежуточной степени окисления, поэтому проявляет окислительно-восстановительную двойственность и в зависимости от условий может быть окислителем или восстановителем:

Восстановитель                     ,

Окислитель                .

В соединении Mn0 марганец (0) имеет минимальную степень окисления. Он может только отдавать электроны, значит, может быть только восстановителем:

Восстановитель         ,

Восстановитель         ,

Восстановитель         .

Пример 5.5. Заполните пропуски в полуреакциях: а) As+3 … ? ? As–3; б) 2Br–1 – 2? ? ...

Решение. а) В правой и левой частях электронного уравнения

As+3 … ?  As–3

количество атомов мышьяка одинаково, а степень окисления понижается (от +3 до –3). Это происходит в случае присоединения электронов (процесс восстановления). Количество принятых электронов определяем с учетом степеней окисления атомов As до и после реакции: +3 + х? = –3, откуда х = 6. Тогда заданная схема имеет вид:

As+3 + 6?  As–3.

б) В левой части схемы

2Br–1 – 2?  ...

находятся два атома брома, значит и в правой части тоже должно быть два атома. Но потеря двух электронов двумя атомами Br–1 (процесс окисления) показывает, что они приобрели нулевую степень окисления. Это соответствует образованию простого вещества Br20. Следовательно, схема полуреакции:

2Br–1 – 2? ? Br20

Ключевые слова и термины

Русский

Украинский

Английский

Французский

Арабский

восстановитель

відновник

reductant

agent reducteur

?????

восстановление

відновлення

reduction

reduction

??? ??????? , ??? , ?????

двойственность

двоїстість

ambivalence

ambigu?t?

????????

окисление

окиснення

oxidation

oxydation

??????? , ?????

окислитель

окисник

oxidant

oxydant

?????

отдавать

віддавати

to lose

rendre

???? , ????

понижается

знижується

to decrease

il diminue

????

присоединять

приєднувати

to gain

acquerir

???? , ?????

увеличивать

збільшувати

to increase

s’accroitre, accoroissement

????

Контрольные вопросы

Дайте определение таким понятиям:

            а) окисление; б) восстановление; в) восстановитель; г) окислитель.

Как изменяется степень окисления в результате процесса восстановления? в результате процесса окисления?

Какие свойства проявляют атомы элемента в максимальной степени окисления?

Какие свойства проявляют атомы элемента в минимальной степени окисления?

Какие свойства проявляют атомы элемента в промежуточной степени окисления?

Какие свойства в окислительно-восстановительных реакциях проявляют атомы элемента кислорода в степенях окисления –2, –1, –1/3, 0, +2?

Какие свойства в окислительно-восстановительных реакциях проявляют атомы элемента фосфора в степенях окисления +5, +3, 0, –3?

Какие свойства в окислительно-восстановительных реакциях проявляют атомы элемента азота в степенях окисления +5, +4, +3, +2, +1, 0, –1, –2, –3?

Что называется окислительно-восстановительной двойственностью?

В какой степени окисления атомы элементов способны проявлять окислительно-восстановительную двойственность?

От чего зависит, какое свойство – окислительное или восстановительное – будут проявлять атомы элементов в промежуточной степени окисления?

Задания для самостоятельной работы

Окислителем является вещество, содержащее атомы, которые:

а) понижают свою степень окисления; б) отдают электроны; в) повышают свою степень окисления; г) окисляются в процессе реакции.

В каком из перечисленных случаев происходит процесс восстановления:

а) нейтральные атомы превращаются в отрицательно заряженные ионы;

б) нейтральные атомы превращаются в положительно заряженные ионы;

в) положительный заряд иона увеличивается; г) степень окисления увеличивается?

В каком случае происходит процесс восстановления:

а) в результате реакции электронная конфигурация атомов не изменяется;

б) степень окисления атомов повышается; в) степень окисления атомов понижается;

г) атомы отдают свои валентные электроны?

Какие свойства в окислительно-восстановительных реакциях проявляют ионы малоактивных металов с максимально высоким положительным зарядом: а) только окислительные; б) только восстановительные; в) окислительно-восстановительную двойственность;г) высокую устойчивость по отношению к восстановителям?

Какие свойства в окислительно-восстановительных реакциях проявляют атомы элементов в высших степенях окисления: а) окислительно-восстановительную двойственность; б) только восстановительные; в) только окислительные; г) высокую устойчивость по отношению к окисли телям?

Какие свойства в окислительно-восстановительных реакциях проявляют атомы элементов в промежуточных степенях окисления:

а) только окислительные; б) только восстановительные;

в) нейтральное отношение к окислителям и восстановителям;

г) окислительно-восстановительную двойственность?

Определите процесс восстановления и укажите количество присоединенных электронов:

а) ; б) ; в) ; г) ; д) ; е) .

Определите процесс окисления и укажите количество электронов, которое отдает атом восстановителя:

а) ; б) ; в) ; г) ; д) ; е) .

Какие процессы – окисления или восстановления – происходят в данных схемах? Вычислите количество электронов, которые присоединяет или отдает атом:

а) ; б) ; в) ; г) ; д) ;

е) ; ё) ; ж) ; з) ; и) ;

й) ; к) ; л) ; м) ;

н) ; о) .

Определите окислители и восстановители среди данных соединений:

а) , , ; б) , , ; в) , , ; г) , , ; д) , , ; е) , , .

Какие из данных ионов могут быть восстановителями? Почему?

, , , , , , , , , ?

В каком превращении осуществляется процесс окисления:

а) NO3–NO2; б) MnO4–MnO42–; в) NH3  NO; г) Fe(OH)3  FeCl3?

В каком превращении осуществляется процесс восстановления:

а) SO32–SO42–; б) Fe(OH)2  Fe2(SO4)3; в) 2S2O32–  S4O62–; г) Cr2O72–2Cr3+?

Среди приведенных веществ укажите те, которые в окислительно-восстановительных реакциях могут быть только восстановителями:

а) KNO2; б) NH3; в) Cl2; г) H2O2.

Атомы какого элемента восстанавливаются в результате реакции, протекающей по схеме: (NH4)2Cr2O7  N2 + Cr2O3 + H2O:

а) N; б) H; в) Cr; г) O?

В каком превращении осуществляется процесс восстановления:

а) Р0  PH3; б) H3PO4  Ca3(PO4)2; в) H3PO2  H3PO3; г) PH3PO43–?

В каком превращении осуществляется процесс восстановления: а) MnO42–  MnO4–;

б) MnO2  MnO32–; в) MnO42–  MnO2; г) Mn  Mn2+?

Какая схема отражает процесс, проходящих без изменения степеней окисления у атомов всех элементов:

а) Cu(HSO4)2  SO42–; б) S2O32–  SO32–; в) [CuCl4] –  CuCl2; г) S2–  SO3?

В каком превращении осуществляется процесс окисления:

а) HCOOH  CO2; б) Na2CO3  HCO3–; в) CO  CH4; г) Н2С2О4  НСОО–?

В каком превращении осуществляется процесс восстановления:

а) BrO3–  Br–; б) SO2  SO3; в) HS–  SO42–; г) H2S  SO2?

В каждой паре приведенных реакций определите, окислителем или восстановителем является выделенное шрифтом вещество, которое повторяется в обеих реакціях:

1) K2MnO4 + Сl2  KMnO4 + KCl,

K2MnO4 +KI + H2SO4  MnSO4 +І2 + K2SO4 + H2O;

2) KNO2 + KI + H2SO4  NO + І2 + K2SO4 + H2O,

KMnO4 + KNO2 + H2SO4  MnSO4 + K2SO4 + KNO3 + H2O;

3) HIO3 + H2O2  І2 + O2 + H2O,

CrCl3 +  H2O2  + NaOH  Na2CrO4 + NaCl + H2O;

4) PbO2+ NaNO2 + H2SO4  PbSO4 + NaNO3 + H2O,

H2S + NaNO2  NO + S + NaOH;

5) KMnO4 + H2O2 + H2SO4  MnSO4 + K2SO4 + O2 + H2O,

AsH3 + H2O2 +  H3AsO4 + H2O;

6) FeSO4 + KClO3 + H2SO4  Fe2(SO4)3 + KCl + H2O,

FeSO4 + Zn  ZnSO4 + Fe;

7) As2O3 + І2 + KOH  KI + K3AsO4 + H2O,

As2O3 + Mg + HCl  As + MgCl2 + H2O;

8) SO2 + HNO3 + H2O  H2SO4 + NO,

SO2 + H2S  S + H2O;

9) Cr2(SO4)3 + Br2 + KOH  K2CrO4 + KBr + K2SO4 + H2O,

Cr2(SO4)3 + HI  Cr2(SO4)3 + H2O;

10) Ca3(PO4)2 + C + SiO2  CaSiO3 + CO + P,

C + Al  Al4C3.



загрузка...