Окислительно-восстановительные процессы.

Ильина Ирина Алексеевна

Электроотрицательность.

 РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ-ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Понятие электроотрицательности существует в химии свыше 150 лет. «Электроотрицательность – это способность атома в молекуле притягивать к себе электроны». Имеются в виду валентные электроны, т.е. электроны, которые участвуют в образовании химической связи. Очевидно, у инертных элементов электроотрицательность отсутствует, так как внешний электронный слой в их атомах завершен. Связь атомов с большой разностью относительных электроотрицательностей (примерно от 1.9 до 3,24) – ионная, с разностью, равной нулю, - ковалентная неполярная, в промежуточных случаях – ковалентная полярная.

Относительную электроотрицательность можно использовать для приблизительного определения прочности химической связи. Например, у галогеноводородов разность относительных элетроотрицательностей  Аx между водородом и галогеном падает от фтороводорода к иодоводороду:

                         HF      HCI      HBr         HI

                          2         0,73     0,64        0,11

Заключение о прочности солей типа MeГО3 легко сделать, сопоставляя кислородом и галогеном (связь с металлом у всех этих солей ионная):

                         KCIO3           KBrO3                KIO3

                         0,67              0,76                1,29

Т.е. прочность убывает от иодата калия KIO3 к хлорату калия KCIO3 . Вообщем, чем дальше отстоят друг от друга два элемента в таблице 1, тем прочнее образующаяся между ними связь.

Вытеснение галогенов друг другом в ряду F –> At объясняется уменьшением относительной электроотрицательности в этом же ряду. Поэтому активность их изменяется в следующей последовательности:

                                    F > CI > Br > I > At 

Таким образом чем больше значение относительной электроотрицательности элемента, тем сильнее его окислительные свойства, а чем меньше – тем сильнее элемнт проявляет восстановительные свойства.

Используют электроотрицательность и в химической номенклатуре. Так, в химических формулах бинарных соединений менее элекроотрицательный элемент записывается на первом месте, а называют их по более электроотрицательному элементу с добавлением окончания «ид». Например: OF2 – фторид кислорода, CF4 – фторид углерода (IV), CO2 – оксид углерода (IV), NF3 – фторид азота, но NCI3 – нитрид хлора (ибо Хn = 3,07 и ХcI = 2,83), CIF – фторид хлора, но CIBr – хлорид брома, CS2 – сульфид углерода, а не карбид серы.

 Степень окисления

Степень окисления количественно характеризует состояние атома в соединении.

Степень окисления n – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что соединение состоит только из ионов.

Можно определить и так: степень окисления – это тот электрический заряд, который возник бы на атоме, если бы электронные пары, которыми он связан с другими атомами, были бы смешены к более электроотрицательным атомам.

Степень окисления может иметь отрицательное, положительное и нулевое значение, которое обычно ставится над символом элемента сверху, например:

 +1      -2          0

Na2 O,     CI2

Вычислить степень окисления атома в соединении нетрудно.

Алгебраическая сумма степеней окисления атомов в химическом соединении всегда равна нулю, а в сложном ионе – заряду иона.

Вычислим степень окисления фосфора в ортофосфорной кислоте H2PO4 . Сумма всех степеней окисления должна быть равной нулю, поэтому, обозначив степень окисления фосфора через n и умножив известные нам степени окисления водорода (+1) и кислорода (-2) на число их атомов в соединении, составим уравнение:

(+1) * 3 + n + (-2) * 4 = 0, отсюда n = +5

Высшая степень окисления – это наибольшее положительное её значение. Как правило, она равна номеру группы периодической системы и является важной количественной характеристикой элемента в его соединениях.

На степенях окисления основывается номенклатура соединений элементов. Согласно ей степень окисления атома элемента указывается римской цифрой в скобках вслед за его названием. Так, FeSO4 называют сульфатом железа (II), а Fe2(SO4) – сульфатом железа (III),

 ВАЛЕНТНОСТЬ

Валентностью характеризуется способность атомов элементов к образованию химических связей. Под валентностью атома в молекуле стали понимать число электронных пар, которыми данный атом связан с другими атомами. Число же электронных пар (связей), которые атом может образовать, равно числу его неспаренных электронов.

 РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ-ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Все химические реакции можно разделить на два типа. К первому из них относятся реакции, протекающие без изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, например:

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

              CaCO3 = CaO + CO2

Ко второму типу относятся реакции, идущие с изменение степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ:

    +2  -2         0          0         +1  -1       0          +1   -1      0

2HgO = 2Hg + O2  , 2KI + CI2 = 2KCI + I2

Реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно – восстановительными.

С современной точки зрения изменением степени окисления связано с оттягиванием или перемещением электронов. Поэтому наряду с приведенным можно дать и такое определение окислительно – восстановительных реакций: это такие реакцию при которых происходит переход электронов от одних атомов, молекул или ионом к другим.

Рассмотрим основные положения, относящиеся к теории окислительно – восстановительных реакций.

  1. Окислением называется процесс отдачи атомом, молекулой или ионом электронов, степени окисления при этом повышаются, например:

           _      +3             _        +

AI – 3 e = AI, H2 – 2 e = 2H

  1. Восстановлением называется процесс присоединением электронов атомом, молекулой или ионом, степень окисления при этом понижается, например:

            _       -2                 _            -      +3    _          +2

S + 2e = S, CI2 + 2e = 2CI, Fe + e = Fe

 

 

  1. Атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны, называются восстановителями. Во время реакции они окисляются. Атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны, называются окислителями. Во время реакции они восстанавливаются.
  2. Окисление всегда сопровождается восстановлением; восстановление всегда связано с окислением, что можно выразить уравнениями:

                               _

восстановитель – e  ó окислитель

                        _

окислитель + e ó восстановитель

 

Таблица 2. Важнейшие восстановители и окислители

Восстановители

Окислители

Металлы, водород, уголь

H2S, Na2S, H2SO3, Na2S2O3, HI, HBr, HCI, HNO2, NH3, H3PO3

Галогены

Mn2O7, MnO3, MnO2, KMnO4, K2MnO4, CrO3, K2CrO4, K2Cr2O7, HNO3, O2, O3, H2O2, H2SO4, H2SeO4

Ионы благородных металлов

       +      3+

(Ag, Au и др.)

Гипохлориты, перхлораты

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНО – ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ

Все окислительно – восстановительные реакции разделяют на три группы: межмолекулярные, внутримолекулярные и реакции диспропоионирования.

 

 

К межмолекулярным относятся реакции, у которых окислитель и восстановитель находятся в разных веществах, причём эти вещества могут быть как сложными, так и простыми. Эти реакции протекают и в газообразном состоянии, и с участием твердых веществ, и в растворах.

    0           0             -3 +1       -3                  0          +2 -2

3H2 + N2 = 2NH3, 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

  0           0           +1 -1

H2 + CI2 = 2HCI

К внутримолекулярным относятся такие реакции, которые протекают с изменением степени окисления атомов в одной и той же молекуле. В этом случае атом с большим значением степени окисления. К ним относятся реакции термического разложения, например:

        +5   -2               -1         0

2KCIO3 = 2KCI + 3O2

И наконец, к третьей группе относятся реакции диспропорционирования, или дисмутации. Протекание таких реаций сопровождается одновременным увеличением и уменьшением степени окисления атомов одного и того же элемента (по сравнению с первоначальным).

  0                               +1                 -1

СI2 + H2O ó HCIO + HCI

 

 

 

 

МЕТОДЫ СОСТАВЛЕНИЯ УРАВНИНИЙ ОКИСЛИТЕЛЬНО – ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ

Метод электронного баланса

Метод электронного баланса основан на сравнении степеней окисления атомов в исходных и конечных веществах. Основное требование состоит в том, что число электронов, присоединенных окислителем. Надо также знать, какие вещества образуются в результате реакции.

Рассмотрим применение этого метода.

Составить уравнение реакции меди с нитратом ртути.

Как показывает опыт, продуктами реакции являются нитрат меди и ртуть. Запишем формулы исходных и конечных веществ реакции с указанием изменения степеней окисления:

  0            +2                        +2                         0

Cu + Hg(NO3)2 = Cu(NO3)2 + Hg

Атом меди, образуя ион меди, отдает два электрона, и его степень окисления повышается от 0 до +2. Медь – восстановитель. Ион же ртути, присоединяя два электрона, изменяет степень окисления от +2 до 0. Нитрат ртути – окислитель. Эти изменения можно выразить электронными уравнениями.

При воостановителе и окислите коэффициенты равны 1

Окончательное уравнение будет иметь вид:

Cu + Hg(NO3)2 = Cu(NO3)2 + Hg

Чтобы проверить правильность составленного уравнения реакции, подсчитываем числом атомов каждого элемента в его правой и левой частях. Например, в правой части уравнения реакции 6 атомов кислорода, в левой также 6 атомов, ртути 1 и 1, меди тоже 1 и 1. Значит, уравнение составлено правильно.