VI. Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные реакции протекают с изменением степени окисления атомов, входящих в состав молекул окислителя и восстановителя. Степень окисления - это условный заряд атома в молекуле, вычисленный на основании предположения, что молекула состоит только из ионов. Понятие "степень окисления" и валентность различны. Валентность - число не спаренных электронов на внешнем энергетическом уровне атома (s-, p-элементы) или на внешнем и предвнешнем незавершенном d-подуровне (d-элементы). Другими словами, это число электронов атома, участвующих в образовании валентных связей. Степень окисления в отличие от валентности имеет положительное, отрицательное или нулевое значение. Например, в молекуле KCl валентность калия равна 1, а степень окисления +1, в молекуле Сl₂ валентность атома хлора равна 1, а степень окисления равна нулю. Условно реакцию окисления-восстановления можно записать в виде:

OKИC₁+ BOCCT₂ = BOCCT₁ + ОКИС₂.

Окисление - процесс отдачи электронов, восстановление - процесс присоединения электронов. Окислитель в результате реакции восстанавливается, а восстановитель - окисляется. Окисление и восстановление - это две составляющие единого процесса. В соответствии с законом сохранения массы, количество электронов, принятых окислителем, равно числу электронов, отданных восстановителем. Это равенство записывается в виде уравнений электронного баланса:

n₂ | OKИC₁ + n₁ē ® BOCCT₁

n₁ | BOCCT₂ - n₂ ē ® ОКИС₂

Для правильного составления уравнений реакций окисления-восстановления необходимо правильно определить величину и знак степени окисления любого атома в молекуле.

1) Степень окисления атома в молекуле простого вещества равна нулю (O₂°, J₂°, N₂°, Fe°, Zn°, Mg°).

2) Степень окисления кислорода O^-² во всех соединениях, кроме перекиси водорода и оксида фтора (Н₂О₂^-1, O⁺²F₂). Например, N₂O^-², CaCO₃^-2.

3) Степень окисления атома водорода во всех соединениях равна +1 (кроме гидридов щелочных и щелочноземельных металлов типа NaH^-¹, CaH₂^-¹). Например, H⁺¹₂O, H⁺¹₂SO₄, RbH⁺¹₂PO₄, NaOH⁺¹ .

4) Молекула нейтральна, поэтому сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Например, молекула H₂^-¹S⁺⁶O₄^-2, сумма зарядов атомов равна 2·(+1)+(+б)+4-(-2) =+8-8=0.

5) Атом элемента в своей высшей положительной степени окисления может быть только окислителем. Например, S⁶⁺ + 2ē ® S⁴⁺.

6) Атом элемента в своей низшей степени окисления может быть только восстановителем. Например, S^2-- 2ē ® S⁰, 2Сl^- - 2ē ® Сl₂⁰.

7) Атом элемента, находящийся в промежуточной степени может проявлять свойства окислителя и восстановителя. Например, окислительные свойства: Cl³⁺+ 2ē ® Cl⁺, Мn⁴⁺+ 2ē ® Мn²⁺,

восстановительные свойства: Cl³⁺- 2е = Сl⁵⁺, Мn⁴⁺- 3е = Мn⁷⁺.

Рассмотрим изменение окислительно-восстановительных свойств простых веществ и сложных соединений для р-элементов 5-7 групп ПСЭ.

5 группа (на примере азота)

	Степень окисления азота
-3		+1	+2	+3	+4	+5
Формы некоторых устойчивых химических соединений	аммиак NH₃, катион аммония NH₄¹⁺, NH₄Cl соли аммония	N₂	N₂O	NO	N₂O₃, соли азотистой кислоты HNO₂-нитриты КNO₂	NO₂	N₂O₅, Соли азотной кислоты HNO₃– нитраты KNO₃
Свойства	Восстановительные ослабевают

6 группа ( на примере S)

	Степень окисления серы
-2		+4	+6
Формы некоторых устойчивых химических соединений	Соли сероводородной кислоты H₂S -сульфиды K₂S	S	SO₂, Соли сернистой кислоты H₂SO₃-сульфиты Na₂SO₃	SO₃, Соли серной кислоты H₂SO₄- сульфаты Na₂SO₄
Свойства	Восстановительные ослабевают

7 группа ( на примере хлора)

	Степень окисления хлора
-1		+1	+3	+5	+7
Формы некоторых устойчивых химических соединений	HCl NaCl Соли Хлориды	Cl₂	Cl₂O HClO Хлорноватистая кислота KСlO Соли гипохлориты	Cl₂O₃ HClO₂ Хлористая кислота KClO₂ Соли хлориты	Cl₂O₅ HClO₃ Хлорноватая кислота KClO₃ Соли хлораты	Cl₂O₇ HClO₄ Хлорная кислота KClO₄ Соли Перхлораты
Свойства	Восстановительные ослабевают

Исключение в 7 группе составляет атом фтора, который является сильнейшим окислителем и для него возможен только один переход F₂⁰ + 2е = 2F^-.

Атомы металлов, обладающие переменной положительной степенью окисления, проявляют окислительные и восстановительные свойства в зависимости от степени окисления в данном соединении. Например, Fe²⁺, Ni²⁺, Sn²⁺, Pb²⁺ - восстановители, a Fe³⁺, Ni³⁺, Sn⁴⁺, Pb⁴⁺- окислители. Все металлы в свободном состоянии (Mg⁰, Zn°, Fe°) - восстановители.

Окислительно-восстановительные свойства
соединений марганца (d-семейство)

Перманганат калия КМnO₄ является важным неорганическим окислителем. Степень его восстановления в окислительно-восстановительных реакциях зависит от кислотности среды, в которой протекает реакция.

	Степень окисления марганца
+2	+3	+4	+6	+7
Формы некоторых устойчивых химических соединений	MnO Mn(OH)₂ MnCl₂	Mn₂O₃	MnO₂ Mn(OH)₄ H₂MnO₃ K₂MnO₃	- K₂MnO₄ Na₂MnO₄	Mn₂O₇ HMnO₄ KMnO₄
Свойства	Восстановительные ослабевают

Схематически поведение KMnO₄ в качестве окислителя в зависимости от рН раствора можно представить в виде:

7+ H₂SO₄
KMnO₄→ MnSO₄, K₂SO₄, Н₂О; Mn⁺⁷ + 5e = Мn⁺² электронное уравнение;

7+ НОН
KMnO₄→ MnO₂, КОН; Mn⁺⁷ + 3е = Мn⁺⁴ электронное уравнение;

7+ КОН
KMnO₄ → K₂MnO₄, H₂O; Mn⁺⁷ + е = Мn⁺⁶ электронное уравнение .