VI. Окислительно-восстановительные реакции

Химические реакции, в которых происходит изменение степени окисления элементов, называются окислительно-восстановительными (ОВ). Напомним, что степень окисления - это условный заряд элемента в соединении, который можно рассчитать, предполагая, что все связи в соединении имеют ионный тип. Таким образом, сумма степеней окисления всех элементов в соединении равна нулю, а в комплексном ионе – заряду иона.. Из этого утверждения следует, что атомы, которые входят в состав простых веществ, имеют нулевую степень окисления:

O₂, H₂, Fe, Cu, Cl₂, I₂, Zn

Простые ионы имеют степень окисления, равную их заряду [Ca²⁺(+2), Cl^─(─1)]

В молекулах степень окисления атомов надо вычислять, причем следует помнить, что степень окисления кислорода во всех природных соединениях (кроме O₂) равна -2, степень окисления водорода в соединении с неметаллами +1, а с металлами (в природе не встречается) -1.

В веществах и электронейтральных молекулах сумма всех степеней окисления равна нулю.

· Примеры вычисления степени окисления

Определим степень окисления элементов в следующих соединениях: перманганате натрия NaМnО₄ и бихромат-ионе Сr₂О₇^2–.

Степень окисления Na⁺ как простого иона равна +1, степень окисления кислорода –2, степень окисления марганца неизвестна, обозначим её за x. Составим уравнение и рассчитаем x: +1 + (─2)×4 + x = 0 Þ x = 8 – 1 = 7. Степень окисления марганца в перманганате натрия NaМnО₄ равна +7.

Для бихромат-иона за x обозначим степень окисления хрома. Тогда уравнение будет иметь вид: 2×x + 7×(─2) = ─2; x = (14 – 2)/2 = 6. Степень окисления хрома равна +6.

Процесс окисления - это процесс увеличения степени окисления элемента. Обратный процесс, уменьшения степени окисления, называется восстановлением. Окислительно-восстановительный процесс всегда сопровождается сопряжёнными изменениями степеней окисления – если один элемент окисляется, то другой элемент в этой же реакции – восстанавливается. При этом общее изменение степеней окисления должно быть равно нулю. Это следует из закона сохранения заряда. Окисление можно условно представить как процесс отдачи электронов при переходе от восстановленной формы элемента в окисленную. И наоборот – восстановление представить как процесс присоединение электронов. На этом основан электронно - ионный метод составления уравнений окислительно-восстановительных реакций. Его использование рассмотрим на примере ОВ реакции получения оксида азота(IV) при взаимодействии меди с концентрированной азотной кислотой:

0 +5 +2 +4

Cu + HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + H₂O

До реакции степень окисления атомов меди 0, после реакции +2, атомы азота до

pеакции имеют степень окисления +5, после реакции +4.

Cu – 2e = Cu⁺² (количество электронов в процессах О/В 1Cu – 2e = 1Cu⁺²

N⁺⁵ + 1e = N⁺⁴ должно быть одинаковое) 2N⁺⁵ + 2e = 2N⁺⁴

Предварительно надо перед Cu и Cu(NO₃)₂ записать коэффициент 1, перед

HNO₃ и NO₂ коэффициент 2: 1Cu + 2HNO₃ = 1Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + H₂O

Вычисляем число атомов азота до реакции и после реакции: 2 и 4; чтобы уравнять число атомов азота, надо перед HNO₃ записать коэффициент 4:

1Cu + 4HNO₃ = 1Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + H₂O. Число атомов водорода до реакции 4,

после реакции 2. Уравниваем: 1Cu + 4HNO₃ = 1Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Подсчитаем число атомов кислорода до и после реакции: 12 = 12.

1Cu + 4HNO₃ = 1Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + H₂O

В данной реакции атомы меди окислялись, атомы азота – восстанавливались.