ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

Реакции, в которых происходит изменение степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих соединений, называются окислительно-восстановительными. Под степенью окисления (с.о.) понимают заряд элемента в соединении, вычисленный, исходя из предположения , что соединение состоит из ионов .

Степень окисления элемента в простом веществе, например в Zn, Сa, H 2 , Вг 2 , S, O 2 , равна нулю.

Определение степени окисления элемента в соединении проводят, используя следующие положения:

1. Степень окисления кислорода в соединениях обычно равна –2. Исключения составляют пероксиды H 2 +1 O 2 –1 , Na 2 +1 O 2 –1 и фторид кислорода О +2 F 2 .

2. Степень окисления водорода в большинстве соединений равна +1, за исключением солеобразных гидридов, например, Na +1 H -1 .

3. Постоянную степень окисления имеют металлы IА группы (щелочные металлы) (+1); металлы IIА группы (бериллий, магний и щелочноземельные металлы (+2)); фтор (–1).

4. Алгебраическая сумма степеней окисления элементов в нейтральной молекуле равна нулю, в сложном ионе – заряду иона.

В качестве примера рассчитаем степень окисления марганца в соединении К 2 MnO 4 и в анионе (MnO 4) − . Сначала поставим степень окисления над теми элементами, для которых она известна. В нашем примере постоянную степень окисления имеют калий (+1) и кислород (-2). Степень окисления марганца обозначим через х . Далее составляем алгебраическое уравнение. Для этого индекс при каждом элементе умножаем на степень окисления этого элемента, все складываем и приравниваем правую часть нулю:

К 2 +1 Mn х O 4 –2 2∙(+1)+ x + 4 (–2) = 0 x = + 6

Таким образом, степень окисления хрома в К 2 MnO 4 равна +6.

Чтобы определить степень окисления марганца в анионе (MnO 4) ‾ поступаем точно также, только правую часть приравниваем заряду иона, в нашем случае -1

(Mn х O 4 −2) ‾ x + 4 (–2) = –1 x = + 7.

В окислительно-восстановительных реакциях электроны от одних атомов, молекул или ионов переходят к другим.Окисление – процесс отдачи электронов , сопровождающийся повышением степени окисления элемента. Восстановление – процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления элемента. Окисление и восстановление – взаимосвязанные процессы, протекающие одновременно. Окислителями называют вещества (атомы, молекулы или ионы), которые в процессе реакции присоединяют электроны , восстановителями – вещества, отдающие электроны.

Ca 0 + Cl 2 0 = Ca +2 Cl 2 –1

восстановитель Ca 0 –2ē → Ca +2 окисление

окислитель Cl 2 0 +2ē → 2Cl – восстановление.

Окислителями могут быть:

1. Простые вещества - неметаллы: галогены F 2 ,Cl 2 , Br 2 , I 2 , кислород O 2 , сера S.

2. Положительно заряженные ионы металлов Fe 3+ , Au 3+ , Hg 2+ , Cu 2+ , Ag + .

3. Сложные ионы и молекулы, содержащие атомы металла в высшей степени окисления KMn +7 O 4 , K 2 Cr 2 +6 O 7 , NaBi +5 O 3 и др.

4. Атомы неметаллов в положительной степени окисления HN +5 O 3 , концентрированная H 2 S +4 O 4 , HCl +1 O, KCl +5 O 3 , NaBr +1 O и др.).

Типичными восстановителями являются:

1. Простые вещества - металлы. У металлов на внешнем уровне находится 1, 2, 3 электрона, которые они легко отдают М 0 −nē → М n + ,

где n – число отданных электронов, равное 1, 2, 3, М – металл (Na, Ca, Mg, Al и др.)

2. Простые вещества - неметаллы (углерод, водород, кремний, бор).

3. Отрицательно заряженные ионы неметаллов (S 2- , I - , Br - , Cl - и др.).

4. Положительно заряженные ионы металлов в низшей степени окисления (Sn 2+ , Fe 2+ , Cr 2+ , Mn 2+ , Cu + и др.).

Соединения, содержащие элементы в максимальной и минимальной степенях окисления, могут быть соответственно или только окислителями (KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7 , HNO 3 , H 2 SO 4 , PbO 2), или только восстановителями (KI, Na 2 S, NH 3). Если же вещество содержит элемент в промежуточной степени окисления, то в зависимости от условий проведения реакции оно может быть и окислителем, и восстановителем. Например, нитрит калия KNO 2 , содержащий азот в степени окисления +3, пероксид водорода H 2 O 2 , содержащий кислород в степени окисления -1, в присутствии сильных окислителей проявляют восстановительные свойства, а при взаимодействии с активными восстановителями являются окислителями.

Окислителем называется вещество, которые вызывает окисление другого вещества. Вызывая окисление какого-либо вещества, сам окислитель при этом восстанавливается. Наиболее распространенные окислители подразделяются на три типа, перечисленные ниже.

Неметаллические элементы. Такие окислители присоединяют электроны, образуя катионы. Примером окислителя подобного типа является хлор. Он окисляет, например, бромид-ионы. Ионное уравнение полной окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом случае, имеет вид

Таким образом, здесь происходит окисление брома:

При окислении брома сам хлор восстанавливается:

К окислителям подобного типа принадлежат также кислород и бром. Сами они в результате восстанавливаются, и соответствующие восстановительные полуреакции описываются следующими уравнениями:

Катионы. К числу катионов, выступающих в роли окислителей, относятся обычно ионы металлов. Они присоединяют к себе электроны, образуя нейтральные атомы либо молекулы. Приведем два примера:

Проба на окислители

Окислители окрашивают в синий цвет влажную индикаторную бумагу, пропитанную крахмалом и иодидом калня. Это происходит в результате того, что окислитель окисляет иодид-ионы, превращая их в иод:

Свободный иод реагирует с крахмалом, и это приводит к появлению синей окраски.

В растворах или в расплавах . Так, самый сильный неорганический окислитель , элементарный фтор , получают электролизом расплавов фторидов .

Распространённые окислители и их продукты

Окислитель	Полуреакции	Продукт	Стандартный потенциал, В
O 2 кислород	$\{\backslash mbox\; \{O\}\}\_\{2\}^\{0\}\; +\; 4\{\backslash mbox\; \{e\}\}^\{-\}\; \backslash rightarrow\; 2\{\backslash mbox\; \{O\}\}^\{2-\}$	Разные, включая оксиды, H 2 O и CO 2	+1,229 (в кислой среде) 0,401 (в щелочной среде)
O 3 озон		Разные, включая кетоны и альдегиды
Пероксиды	$2\; \{\backslash mbox\; \{O\}\}^\{-\}\; +\; 2\{\backslash mbox\; \{e\}\}^\{-\}\; \backslash rightarrow\; 2\{\backslash mbox\; \{O\}\}^\{2-\}$	Разные, включая оксиды, окисляет сульфиды металлов до сульфатов H 2 O
Hal 2 галогены	$\{\backslash mbox\; \{Hal\}\}\_\{2\}^\{0\}\; +\; 2\{\backslash mbox\; \{e\}\}^\{-\}\; \backslash rightarrow\; 2\{\backslash mbox\; \{Hal\}\}^\{-\}$	Hal − ; окисляет металлы, P, C, S, Si до галогенидов	F 2: +2,87 Cl 2: +1,36 Br 2: +1,04 I 2: +0,536
ClO − гипохлориты		Cl −
ClO 3 − хлораты		Cl −
HNO 3 азотная кислота	с активными металлами, разбавленная $\{\backslash mbox\; \{N\}\}^\{5+\}\; +\; 8\{\backslash mbox\; \{e\}\}^\{-\}\; \backslash rightarrow\; \{\backslash mbox\; \{N\}\}^\{3-\}$ с активными металлами, концентрированная $$ с тяжёлыми металлами, разбавленная $\{\backslash mbox\; \{N\}\}^\{5+\}\; +\; 3\{\backslash mbox\; \{e\}\}^\{-\}\; \backslash rightarrow\; \{\backslash mbox\; \{N\}\}^\{2+\}$ c тяжёлыми металлами, концентрированная $\{\backslash mbox\; \{N\}\}^\{5+\}\; +\; \{\backslash mbox\; \{e\}\}^\{-\}\; \backslash rightarrow\; \{\backslash mbox\; \{N\}\}^\{4+\}$
H 2 SO 4 , конц. серная кислота	c неметаллами и тяжёлыми металлами $\{\backslash mbox\; \{S\}\}^\{6+\}\; +\; 2\{\backslash mbox\; \{e\}\}^\{-\}\; \backslash rightarrow\; \{\backslash mbox\; \{S\}\}^\{4+\}$ с активными металлами $\{\backslash mbox\; \{S\}\}^\{6+\}\; +\; 6\{\backslash mbox\; \{e\}\}^\{-\}\; \backslash rightarrow\; \{\backslash mbox\; \{S\}\}^\{0\}\; \backslash downarrow$ $\{\backslash mbox\; \{S\}\}^\{6+\}\; +\; 8\{\backslash mbox\; \{e\}\}^\{-\}\; \backslash rightarrow\; \{\backslash mbox\; \{S\}\}^\{2-\}$	SO 2 ; окисляет металлы до сульфатов с выделением сернистого газа или серы Ещё один сильный окислитель - перманганат калия . Он способен окислять органические вещества и даже разрывать углеродные цепи: С 6 H 5 -CH 2 -CH 3 + [O] → C 6 H 5 COOH + … C 6 H 6 + [O] → HOOC-(CH 2) 4 -COOH Сила окислителя при реакции в разбавленном водном растворе может быть выражена стандартным электродным потенциалом : чем выше потенциал, тем сильнее окислитель. Очень сильные окислители Условно к «очень сильным окислителям» относят вещества, превышающие по окислительной активности молекулярный фтор . К ним, например, относятся: гексафторид платины , диоксидифторид , дифторид криптона , оксид меди(III) , фторид серебра(II) , катионная форма Ag 2+ , все фториды ксенона , озонид цезия , надпероксид цезия , гексафтороникелат(IV) калия . Перечисленные вещества, к примеру, способны при комнатной температуре окислять инертный газ ксенон , что неспособен делать фтор (требуется давление и нагрев) и тем более ни один из кислородсодержащих окислителей. См. также Напишите отзыв о статье "Окислитель" Отрывок, характеризующий Окислитель Наполеон подъехал со свитой к Шевардинскому редуту и слез с лошади. Игра началась. Вернувшись от князя Андрея в Горки, Пьер, приказав берейтору приготовить лошадей и рано утром разбудить его, тотчас же заснул за перегородкой, в уголке, который Борис уступил ему. Когда Пьер совсем очнулся на другое утро, в избе уже никого не было. Стекла дребезжали в маленьких окнах. Берейтор стоял, расталкивая его. – Ваше сиятельство, ваше сиятельство, ваше сиятельство… – упорно, не глядя на Пьера и, видимо, потеряв надежду разбудить его, раскачивая его за плечо, приговаривал берейтор. – Что? Началось? Пора? – заговорил Пьер, проснувшись. – Изволите слышать пальбу, – сказал берейтор, отставной солдат, – уже все господа повышли, сами светлейшие давно проехали. Пьер поспешно оделся и выбежал на крыльцо. На дворе было ясно, свежо, росисто и весело. Солнце, только что вырвавшись из за тучи, заслонявшей его, брызнуло до половины переломленными тучей лучами через крыши противоположной улицы, на покрытую росой пыль дороги, на стены домов, на окна забора и на лошадей Пьера, стоявших у избы. Гул пушек яснее слышался на дворе. По улице прорысил адъютант с казаком. – Пора, граф, пора! – прокричал адъютант. Приказав вести за собой лошадь, Пьер пошел по улице к кургану, с которого он вчера смотрел на поле сражения. На кургане этом была толпа военных, и слышался французский говор штабных, и виднелась седая голова Кутузова с его белой с красным околышем фуражкой и седым затылком, утонувшим в плечи. Кутузов смотрел в трубу вперед по большой дороге. Войдя по ступенькам входа на курган, Пьер взглянул впереди себя и замер от восхищенья перед красотою зрелища. Это была та же панорама, которою он любовался вчера с этого кургана; но теперь вся эта местность была покрыта войсками и дымами выстрелов, и косые лучи яркого солнца, поднимавшегося сзади, левее Пьера, кидали на нее в чистом утреннем воздухе пронизывающий с золотым и розовым оттенком свет и темные, длинные тени. Дальние леса, заканчивающие панораму, точно высеченные из какого то драгоценного желто зеленого камня, виднелись своей изогнутой чертой вершин на горизонте, и между ними за Валуевым прорезывалась большая Смоленская дорога, вся покрытая войсками. Ближе блестели золотые поля и перелески. Везде – спереди, справа и слева – виднелись войска. Все это было оживленно, величественно и неожиданно; но то, что более всего поразило Пьера, – это был вид самого поля сражения, Бородина и лощины над Колочею по обеим сторонам ее. Над Колочею, в Бородине и по обеим сторонам его, особенно влево, там, где в болотистых берегах Во йна впадает в Колочу, стоял тот туман, который тает, расплывается и просвечивает при выходе яркого солнца и волшебно окрашивает и очерчивает все виднеющееся сквозь него. К этому туману присоединялся дым выстрелов, и по этому туману и дыму везде блестели молнии утреннего света – то по воде, то по росе, то по штыкам войск, толпившихся по берегам и в Бородине. Сквозь туман этот виднелась белая церковь, кое где крыши изб Бородина, кое где сплошные массы солдат, кое где зеленые ящики, пушки. И все это двигалось или казалось движущимся, потому что туман и дым тянулись по всему этому пространству. Как в этой местности низов около Бородина, покрытых туманом, так и вне его, выше и особенно левее по всей линии, по лесам, по полям, в низах, на вершинах возвышений, зарождались беспрестанно сами собой, из ничего, пушечные, то одинокие, то гуртовые, то редкие, то частые клубы дымов, которые, распухая, разрастаясь, клубясь, сливаясь, виднелись по всему этому пространству. Эти дымы выстрелов и, странно сказать, звуки их производили главную красоту зрелища. Пуфф! – вдруг виднелся круглый, плотный, играющий лиловым, серым и молочно белым цветами дым, и бумм! – раздавался через секунду звук этого дыма. «Пуф пуф» – поднимались два дыма, толкаясь и сливаясь; и «бум бум» – подтверждали звуки то, что видел глаз. Пьер оглядывался на первый дым, который он оставил округлым плотным мячиком, и уже на месте его были шары дыма, тянущегося в сторону, и пуф… (с остановкой) пуф пуф – зарождались еще три, еще четыре, и на каждый, с теми же расстановками, бум… бум бум бум – отвечали красивые, твердые, верные звуки. Казалось то, что дымы эти бежали, то, что они стояли, и мимо них бежали леса, поля и блестящие штыки. С левой стороны, по полям и кустам, беспрестанно зарождались эти большие дымы с своими торжественными отголосками, и ближе еще, по низам и лесам, вспыхивали маленькие, не успевавшие округляться дымки ружей и точно так же давали свои маленькие отголоски. Трах та та тах – трещали ружья хотя и часто, но неправильно и бедно в сравнении с орудийными выстрелами. Пьеру захотелось быть там, где были эти дымы, эти блестящие штыки и пушки, это движение, эти звуки. Он оглянулся на Кутузова и на его свиту, чтобы сверить свое впечатление с другими. Все точно так же, как и он, и, как ему казалось, с тем же чувством смотрели вперед, на поле сражения. На всех лицах светилась теперь та скрытая теплота (chaleur latente) чувства, которое Пьер замечал вчера и которое он понял совершенно после своего разговора с князем Андреем.

Окислителями могут быть нейтральные атомы и молекулы; положительно Заряженные ионы металлов; сложные ионы и молекулы, содержащие атомы металла в состоянии высокой степени окисления; сложные ионы и молекулы, содержащие атомы неметалла в состоянии положительной степени окисления; положительно заряженные ионы водорода (в некоторых кислотах, щелочах и воде).

Нейтральные атомы. Окислителями являются атомы элементов, имеющие на внешнем уровне 7, 6, 5 и 4 электрона. Это p-элементы ( - ). Из них типичными окислителями являются неметаллы (в виде простых веществ и др.), которые характеризуются большим сродством к электрону. Проявляя окислительные свойства, они могут принимать электроны (до 8):

Самые сильные окислители - атомы галогенов и кислород - принимают соответственно один и два электрона.

Самые слабые окислители - атомы четвертой главной подгруппы - принимают четыре электрона.

В главных подгруппах IV, V, VI и VII окислительные свойства падают с возрастанием величин радиусов атомов. Следоватедьно, из нейтральных атомов самый сильный окислитель - фтор, самый слабый - свинец.

Все перечисленные элементы (за исключением и ) могут при взаимодействии с сильными окислителями отдавать электроны, т. е. проявлять восстановительные свойства:

Поэтому их называют также окислителями - восстановителями. У неметаллов окислшельные свойства выражены сильнее, чем восстановительные.

Положительно заряженные ионы металлов. Все положительно заряженные ионы металлов в той или иной степени проявляют окислительные свойства.

Из них более сильными окислителями являются положительно заряженные ионы в высокой степени окисления. Так, например, для ионов характерны восстановительные свойства, а для ионов , - окислительные. Последние в зависимости от условий реакции могут восстанавливаться как до ионов в низшей степени окисления, так и до нейтральных атомов, например:

Однако и ионы в низшей степени окисления (или катионы), обладая большим запасом энергии, чем нейтральные атомы, могут проявлять окислительные свойства при взаимодействии с типичными восстановителями, например:

Ионы благородных металлов ( и ) даже в низкой степени окисления являются сильными окислителями

Следует еще раз отметить, что чем более активен металл как восстановитель, тем менее он активен в состоянии иона как окислитель. И наоборот, чем менее активен металл как восстановитель, тем более он активен в состоянии иона как окислитель. Так, например, при переходе нейтральных атомов калия и серебра в ионное состояние и потенциалы ионизации первого порядка соответственно равны 415,6 и 724,5 кдж. Поэтому ион серебра обладает значительно большим сродством к электрону, чем ион так как энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к положительному иону, равна энергии ионизации с обратным знаком.

Сложные ионы и молекулы, содержащие атомы металла в состоянии высшей степени окисления.

Типичными окислителями являются вещества, содержащие атомы металла в состоянии наиболее высокой степени окисления (например, ), из которого они стремятся перейти в состояние с меньшей степенью окисления или в состояние с нулевой степенью окисления .

Например:

Сложные ионы и молекулы, содержащие атомы неметалла в состоянии положительной степени окисления. Сильные окислительные свойства проявляют также неметаллы в состоянии высокой, а некоторые и в низкой положительной степени окисления. К числу этих окислителей относятся кислородные кислоты, их ангидриды и соли (например, , концентрированная и др.). Из данного состояния эти неметаллы стремятся перейти в состояния с более низкой степенью окисления.

Азотная кислота в зависимости от ее концентрации и активности восстановителя может принимать от 1 до 8 электронов:

Сильными окислителями являются также концентрированные серная, селеновая и теллуровая кислоты. В ряду окислительные свойства возрастают от серной к теллуровой кислоте. При этом в зависимости от активности восстановителя и условий протекания реакции они могут восстанавливаться до .

Например:

Общая характеристика кислородных соединений галогенов в зависимости от степени окисления может быть выражена следующим образом:

В ряду - - окислительные свойства и устойчивость уменьшаются. Помимо окислительной способности для и характерны реакции диспропорционирования:

В ряду окислительные свойства двух первых кислот очень похожи и выражены сильно, тогда как окислительные (и кислотные) свойства йодноватой кислоты выражены значительно слабее.

Хлорная кислота единственная из кислородных кислот хлора известна в свободном виде. При нагревании выше 92° С она подвергается внутримолекулярной реакции окисления - восстановления (нередко со взрывом):

Окислительные свойства значительно слабее, чем , и в разбавленных растворах она окислительных свойств практически не проявляет.

Окислительные свойства выражены сильнее, чем .

Ортоиодная кислота также проявляет окислительные свойства:

Как и кислородные кислоты галогенов, окислительно-восстановительные свойства проявляют их соли, которые используются главным образом как окислители.

Кислородные соединения хлора, брома и иода, проявляя окислительные свойства, восстанавливаются в зависимости от условий реакции до свободного состояния или до отрицательно заряженного иона, например:

Окислительные свойства проявляют также положительно заряженные ионы водорода (в некоторых кислотах, щелочах и воде), что может быть использовано для получения в лабораторных условиях водорода. Его получают взаимодействием разбавленных растворов соляной, серной, ортофосфорной и уксусной кислот с цинком, железом, магнием, марганцем, алюминием и др., например:

Из оснований (, КОН, ) положительные ионы водорода восстанавливаются алюминием, кремнием, цинком, оловом и др., например:

Ионами водорода воды окисляются наиболее активные металлы (I и II главных подгрупп, кроме магния).

Таким образом, если атомы находятся в степенях окисления (например, азот, мышьяк, сера, селен и теллур в соединениях , ), то они, являясь в отрицательной степени окисления ( и ), могут быть только восстановителями, так как на их внешнем уровне находится по 8 электронов и они не могут более принимать электроны.

Окислительно-восстановительные реакции, или сокращенно ОВР, являются одной из основ предмета химии, так как описывают взаимодействие отдельных химических элементов друг с другом. Как следует из названия данных реакций, в них участвуют как минимум два различных химических вещества одно из которых выступает в качестве окислителя, а другое – восстановителя. Очевидно, что очень важно уметь отличать и определять их в различных химических реакциях.

Как определить окислитель и восстановитель
Основная сложность в определении окислителя и восстановителя в химических реакциях заключается в том, что одни и те же вещества в разных случаях могут быть как окислителями, так и восстановителями. Чтобы научиться правильно определять роль конкретного химического элемента в реакции нужно четко уяснить следующие базовые понятия.

1. Окислением называют процесс отдачи электронов с внешнего электронного слоя химического элемента. В свою очередь окислителем будет атом, молекула или ион, которые принимают электроны и тем самым понижают степень своего окисления, что есть восстанавливаются . После химической реакции взаимодействия с другим веществом окислитель всегда приобретает положительный заряд.
2. Восстановлением называют процесс присоединения электронов на внешний электронный слой химического элемента. Восстановителем будет атом, молекула или ион, которые отдают свои электроны и тем самым повышают степень своего окисления, то есть окисляются . После химической реакции взаимодействия с другим веществом восстановитель всегда приобретает положительный заряд.
3. Проще говоря окислитель – это вещество, которое «отбирает» электроны, а восстановитель – вещество, которое отдает их окислителю. Определить кто в окислительно-восстановительной реакции выполняет роль окислителя, кто восстановителя и в каких случаях окислитель становится восстановителем и наоборот можно, зная типичное поведение в химических реакциях отдельных элементов.
4. Типичными восстановителями являются металлы и водород: Fe, K, Ca, Cu, Mg, Na, Zn, H). Чем меньше они ионизироаны, тем больше их восстановительные свойства. Например, частично окислившееся железо, отдавшее один электрон и имеющее заряд +1, сможет отдать на один электрон меньше по сравнению с «чистым» железом. Также восстановителями могут быть соединения химических элементов в низшей степени окисления, у которых заполнены все свободные орбитали и которые могут только отдавать электроны, например аммиак NH 3 , сероводород H 2 S, бромоводород HBr, йодоводород HI, хлороводород HCl.
5. Типичными окислителями являются многие неметаллы (F, Cl, I, O, Br). Также окислителями могут выступать металлы, имеющие высокую степень окисления (Fe +3 , Sn +4 , Mn +4), также некоторые соединения элементов в высокой степени окисления: перманганат калия KMnO 4 , серная кислота Н 2 SO 4 , азотная кислота HNO 3 , оксид меди CuO, хлорид железа FeCl 3 .
6. Химические соединения в неполных или промежуточных степенях окисления, например одноосновная азотная кислота HNO 2 , пероксид водорода H 2 O 2 , сернистая кислота H 2 SO 3 могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства в зависимости от окислительно-восстановительных свойств участвующего во взаимодействии второго реагента.

Определим окислитель и восстановитель на примере простой реакции взаимодействия взаимодействия натрия с кислородом.

Ка следует из данного примера один атом натрия отдает одному атому кислорода свой электрон. Следовательно, натрий является восстановителем, а кислород окислителем. При этом натрий окислится полностью, так как отдаст максимально возможное количество электронов, а атом кислорода будет восстановлен не полностью, так как сможет принять еще один электрон от другого атома кислорода.