Основные положения теории окисления-восстановления

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 12Следующая ⇒

При протекании химических реакций происходит разрушение существующих химических связей и образование новых, что, в большинстве случаев, сопровождается перераспределением электронов между атомами за счет отдачи и принятия электронов атомами или ионами. Закономерности этих процессов обобщены в положениях теории окисления-восстановления:

1. Процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом называется окислением. Например:

Аl – 3ē → Al⁺³;

Н₂ – 2ē → 2H⁺;

2Cl^– – 2ē → Cl₂.

В процессе окисления простого вещества атом, бывший до того электронейтральным, приобретает избыточный положительный заряд. Если считать, что электроны полностью покинули электронную оболочку атома, то положительный заряд равен числу отданных электронов:

Аl⁰ – 3ē → Al⁺³.

При окислении степень окисления повышается:

Sn⁺² – 2ē → Sn⁺⁴.

2. Процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом называется восстановлением. Например:

S + 2ē → S^–2;

Cl₂ + 2ē → 2Сl^–;

Fe⁺³ + ē → Fe⁺².

В процессе восстановления простого вещества атом приобретает избыточный отрицательный заряд, равный по абсолютной величине числу принятых электронов:

S⁰ + 2ē → S^–2.

При восстановлении степень окисления понижается (именно поэтому в английском языке и других европейских языках процесс восстановления обозначается термином reduction — понижение).

3. Атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны и претерпевающие в ходе реакции процесс окисления, называются восстановителями, так как отдаваемые ими электроны обеспечивают процесс восстановления другого участника реакции, принимающего электроны. Атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны, называются окислителями, так как, благодаря их действию, происходит процесс окисления другого участника реакции. Вo время реакции окислители восстанавливаются.

4. В окислительно-восстановительных процессах количество электронов, отданных в процессе окисления, всегда должно быть равно количеству электронов, принятых в процессе восстановления. Например:

+2 –2 0 0 +1 –2

CuО + Н₂ = Сu + H₂O

окислитель Cu⁺² + 2ē → Cu⁰ (восстановление);

восстановитель H⁰₂ –2ē → 2H⁺ (окисление).

В этой реакции атом водорода отдает один электрон (а молекула водорода в целом — два электрона); водород является восстановителем.

1.3. Правила определения степени окисления

При определении степени окисления элемента, следует руководствоваться следующими положениями:

1. Степень окисления атомов элементарных металлов равна нулю (Na, Сa, Al и т.д.).

2. Степень окисления атомов неметаллов в молекулах простых веществ равна нулю (N₂, Cl₂, O₂, H₂ и т.д.).

3. Во всех соединениях щелочные металлы имеют степень окисления (+1), щелочноземельные (+2).

4. Водород в соединениях с неметаллами имеет степень окисления (+1), а в солеобразных гидридах (NаН, СаН₂ и т.д.) (–1).

5. Фтор — наиболее электроотрицательный элемент, в соединениях с другими элементами имеет степень окисления (–1).

6. Кислород в соединениях проявляет степень окисления (–2). Исключение составляют OF₂, в котором степень окисления кислорода (+2), и пероксиды, например, H₂O₂, Na₂O_2, в которых степень окисления кислорода (–1).

7. Степень окисления может быть не только целым, но и дробным числом. Так, в KO₂и KO₃ для кислорода она соответственно равна (–1/2) и (–1/3).

8. В нейтральных молекулах алгебраическая сумма всех степеней окисления равна нулю.

9. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, входящих в ион, равна заряду иона.

Пример 1.

Найти степень окисления хрома в молекуле K₂Cr₂О₇.

Составим для этой молекулы уравнение:

(+1)× 2 + x× 2 + (–2)× 7 = 0,

где (+1) — степень окисления калия; 2 — число атомов калия; x — степень окисления хрома; 2 — число атомов хрома; (–2) — степень окисления кислорода; 7 — число атомов кислорода.

Решая уравнение, получаем x = +6.

Пример 2.

Определить степень окисления хлора в ионе СlО₄^–.

Составим для данного иона уравнение:

x× 1+ (–2)× 4 = –1,

где x — степень окисления хлора; (–2) — степень окисления кислорода; 4 — число атомов кислорода; (–1) — заряд всего иона.

Решая уравнение, получаем x = +7.

1.4. Важнейшие восстановители иокислители

Величина степени окисления атома элемента в составе соединения дает информацию о том, в каком процессе этот атом может участвовать.

Атомы, имеющие в соединении низшую степень окисления, могут выступать только в роли восстановителя. Они способны только отдавать электроны и окисляться, проявляя восстановительные свойства, например:

N^–3, P^–3, Cl^–1, O^–2, S^–2, I^–1, F^–1 и т.п.

Атомы в соединениях, имеющие высшую степень окисления, являются только окислителями. Они могут только принимать электроны и восстанавливаться, проявляя при этом окислительные свойства, например:

N⁺⁵, Cr⁺⁶, Zn⁺², Cl⁺⁷, P⁺⁵ и т.п.

Атомы, проявляющие в соединениях промежуточную степень окисления, могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Это зависит от того, реагируют ли они с более сильными окислителями или с более сильными восстановителями, например:

Mn⁺⁶, Fe⁺², Sn⁺², S⁺⁴, N⁺³и т.п.

Например, четырехвалентная сера может быть как восстановителем:

S⁺⁴ – 2ē → S⁺⁶ (окисление),

так и окислителем:

S⁺⁴ + 4ē → S⁰ (восстановление).

Такое свойство называется окислительно-восстановительной двойственностью.

Если говорить об окислительно-восстановительных свойствах эламентов в виде простых веществ, то они согласуются с величиной электроотрицательности данного элемента. Восстановителями обычно являются элементарные вещества, характеризующиеся наименьшими значениями энергии ионизации. К ним относятся металлы, водород. Окислителями обычно являются элементарные вещества, характеризующиеся наибольшим сродством к электрону: F_2, O₂. Атомы элементарных веществ, характеризующиеся средними значениями электроотрицательности, обладают и окислительными, и восстановительными свойствами, например:

Вг₂, Sе, С, Р, N_2, S и т.п.

1.5. Изменение окислительно-восстановительных свойств
простых веществ по периодам и группам

Соотношение окислительных и восстановительных свойств простого (элементарного) вещества определяется числом электронов на последнем энергетическом уровне атома. В Периодической системе элементов в пределах периода с повышением порядкового номера элемента, т.е. при движении слева направо, восстановительные свойства простых веществ понижаются, а окислительные возрастают и становятся максимальными у галогенов. Так, например, в третьем периоде Na — самый активный в периоде восстановитель, а хлор — самый активный в периоде окислитель. Это обусловлено увеличением количества электронов на последнем уровне, сопровождающимся уменьшением радиуса атома и приближением строения последнего уровня к устойчивому восьмиэлектронному состоянию. Металлы имеют небольшое число электронов на последнем уровне, поэтому они никогда не принимают " чужие" электроны и могут только отдавать свои. Напротив, неметаллы (кроме фтора) могут не только принимать, но и отдавать электроны, проявляя как восстановительные, так и окислительные свойства. Фтор проявляет только окислительные свойства, так как обладает наибольшей относительной электроотрицательностью из всех элементов. Таким образом, лучшие восстановители — щелочные металлы, а лучшие окислители — элементы главных подгрупп седьмой (галогены) и шестой групп.

В пределах группы изменение окислительно-восстановительных свойств обусловлено увеличением радиуса атома, что приводит к меньшему удерживанию электронов последнего энергетического уровня. У элементов как главных, так и побочных подгрупп с повышением порядкового номера (т.е. при движении сверху вниз) усиливаются восстановительные свойства и ослабевают окислительные. Поэтому из щелочных металлов наиболее активные восстановители — Сs и Fr, а наиболее активный окислитель из галогенов — фтор.

Элементы побочных подгрупп (они размещаются в четных рядах больших периодов) являются d-элементами и имеют на внешнем энергетическом уровне атомов 1-2 электрона. Поэтому эти элементы являются металлами и в состоянии простого вещества могут быть только восстановителями.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒