РЕАКЦІЇ ОКИСЛЕННЯ-ВІДНОВЛЕННЯ

Вивчивши зміст глави 15, студенти повинні: знати

• • сутність і основні поняття теорії реакцій окислення-відновлення;
• • взаємозв'язок хімічних і електричних явищ;
• • кількісну характеристику сили окислювачів і відновників;
• • процеси при роботі хімічних джерел струму; вміти.
• • складати рівняння реакцій окислення-відновлення;
• • визначати можливість самовільного протікання реакцій окислення- відновлення;
• • розраховувати константи рівноваги реакцій окислення-відновлення; володіти
• • навичками прогнозування протікання реакцій окислення-відновлення.

Сутність і основні поняття

Реакціями окислення-відновлення називаються такі реакції, при яких змінюються ступені окислення атомів і відбувається перенесення різного числа електронів від одних атомів до інших. У підручниках зустрічається і скорочена назва редокс-реакції від термінів в західноєвропейських мовах «reduction» (відновлення) і «oxidation» (окислення).

До реакцій окислення-відновлення можна адресувати реакції між простими речовинами, реакції горіння, реакції металів з кислотами, отримання металів з руд в металургії, реакції розкладання речовин і багато інших. Реакції окислення-відновлення мають велике значення в енергетиці, так як саме вони характеризуються виділенням великої кількості енергії.

Розглянемо приклад взаємодії металевого натрію і молекулярного хлору. Зовнішній електрон з підрівня 35 натрію переноситься на орбиталь в підрівні 3 р хлору, заселену одним електроном. Це призводить до утворення стійких іонів із заповненими зовнішніми електронними оболонками, як у благородних газів. Іон Na ⁺ має електронну структуру атома Ne, а іон СІ - електронну структуру атома Аг. Перехід атомів в іонну стан і випливає з цього рівняння реакції можна записати у вигляді так званої схеми електронного балансу:

Отримане в результаті реакції речовина NaCl електронейтральних, так як сума електричних зарядів у всіх фізичних і хімічних процесах зберігається і число відданих електронів одними атомами дорівнює числу приєднаних електронів іншими атомами.

Роль окремих атомів в реакції можна встановити, порівнюючи їх електронегативності.

Розглянутий приклад відноситься до утворення речовини з іонними зв'язками. Електронегативність ™ натрію (х = 0,9) значно менше електронегативності хлору (х = 3,0). Це означає, що атом натрію віддає електрон, а атом хлору - приєднує. Якщо атоми, складові речовина, не сильно розрізняються по електронегативності, то вони утворюють полярні ковалентні зв'язки. Тоді з'являються часткові заряди +5 на атомах з меншою електронегативність і -б на атомах з більшою електроотрі- цателиюстио.

Водень (х = 2,2) утворює з хлором молекули НС1, в яких на водні є відносно невеликий частковий заряд +0,17, а на хлорі -0,17. Але формально реакція водню з хлором записується у вигляді такої ж схеми електронного балансу:

При розгляді багатьох питань, пов'язаних з окислювально-відновними реакціями, справжня величина заряду не має значення, і прийнято вважати, наприклад, що водень окислен до стану +1, а хлор відновлений до стану -1. Ці цілі числа називаються ступенями окислення. Для позначення стану атома вони записуються над символом елемента:

Ступінь окислення (СО) - це формальний заряд атома, рівний числу електронів, частково або повністю переданих від нього до більш електронегативний атомів при утворенні зв'язків з ними (СО позитивна) або прийнятих від менш електронегативний атомів (СО негативна).

Ступінь окислення - це похідна величина від валентності атомів і електронний торгівельний ™. Наприклад, ступеня окислення хрому в його оксиди СГО, Сг ₂ 0 ₃ і СГО _е рівні +2, +3 і +6 відповідно, тому що хром пов'язаний з більш електронегативний двовалентним киснем. В оксиді СГО від атома хрому в сторону кисню зміщуються два електрона, в наступному оксиді до трьох атомів кисню зміщуються шість електронів від двох атомів хрому, а в останньому теж шість електронів від одного атома хрому. Але справжні заряди +8 на атомах хрому при підвищенні ступеня окислення не збільшуються, а навіть зменшуються. Цим підтверджується формальний характер СО.

За абсолютною величиною СО збігається з валентністю атомів, крім тих випадків, коли розглянутий атом одночасно пов'язаний як з більш, так і з менш електронегативними атомами. Ступені окислення розраховують на основі наступних правил.

• 1. Зв'язки між однаковими атомами на ступінь окислення не впливають. З цього випливає наслідок, що ступеня окислення атомів в простих речовинах дорівнює нулю.
• 2. У складних речовинах постійні ступеня окислення мають:
  • -1 -1
  • -2 - кисень у всіх з'єднаннях, крім пероксидов (-О - О -), супе- +2

роксідов (О?) і OF ₂ ;

-1 - фтор; інші галогени - хлор, бром і йод - у всіх з'єднаннях, крім сполук з киснем; водень в з'єднаннях з металами і кремнієм;

+ 1 - водень в з'єднаннях з більшістю неметалів, крім кремнію; елементи групи IA від літію до франція;

+2 - елементи групи ПА від берилію до радію; цинк;

+3 - алюміній.

3. У частці, що складається з декількох атомів, сума ступенів окислення всіх атомів дорівнює її заряду.

Застосовуючи ці правила, можна визначати ступеня окислення інших атомів.

Приклад 15.1. Яку ступінь окислення має хром в іоні Сг ³⁺ ?

Рішення. У одноатомного іона заряд збігається зі ступенем окислення:

Приклад 15.2. Визначте СО атомів в аніоні SeO | ".

Рішення. У кисню СО дорівнює -2. Ступінь окислювання х селену визначимо за правилом 3:

Приклад 15.3. Визначте СО атомів в дисульфідом калію K ₂ S ₂ .

Рішення. СО (К) = +1 (правило 2). СО сірки х визначаємо з рівняння 2 (+1) + + 2х = 0; х = -1. Сірка в даній речовині двовалентну (K ⁺ -SSK ⁺ ), але зв'язок між атомами сірки на СО не впливає. Тому валентність і СО сірки в даному випадку виявилися різні.

Зміна ступенів окислення атомів служить ознакою окисно-відновної реакції.

Приклад 15.4. Чи є такі хімічні реакції окислювально-вос- ста! 10 в Ител и i и м і?

Рішення. У першій реакції СО всіх атомів залишаються без зміни. Це кислотно-основна реакція. У другій реакції змінюються СО хрому і сірки. Це реакція окислення-відновлення. Рекомендується самостійно перевірити висновок розрахунком ступенів окислення.

Атоми, що віддають електрони, грають роль відновлювача і в процесі реакції окислюються. Ступінь окислювання при віддачі електронів підвищується. Атоми, які беруть електрони, грають роль окислювача і при цьому відновлюються. Ступінь окислювання при приєднанні електронів знижується.

Окисленням називається віддача електронів.

Відновленням називається приєднання електронів. Окислювачем називається як атом, що приєднує електрони, так і речовина, в якому знаходиться цей атом.

Відновлювачем називається як атом, який чи електрони, так і речовина, в якому знаходиться цей атом.

Терміни «окислення» і «відновлення» перейшли в хімію з металургії. Окислення в металургії - це з'єднання металу з киснем:

При цьому метал втрачає електрони. Втрату електронів стали називати окисленням і у всіх інших реакціях. Одержання металу з оксиду природно назвати відновленням, тобто поверненням в початковий стан:

При відновленні метал приймає електрони. Приєднання електронів стали називати відновленням і у всіх інших реакціях.

Окислювач, приймаючи електрони, відновлюється, утворюючи продукт, який в зворотної реакції віддає електрони, тобто діє як відновник. Відповідно і відновник, віддаючи електрони, утворює продукт, який в зворотної реакції діє як окислювач.

Окислювач і відновник, в який він переходить, приймаючи електрони, складають пов'язану окислювально-відновну пару, Ox + we- / Red. Між силою окислювача і сполученого відновника є обернено пропорційна залежність.