Урок 16 Получить доступ за 75 баллов Окислительно-восстановительные реакции

Когда мы видим ржавчину на железе или темный налет на серебре, мы часто можем услышать фразу: «металл окислился».

Разберём подробнее, что значит это выражение с точки зрения химии.

Как мы уже с вами усвоили ранее, при образовании ионной химической связи между атомами разных элементов происходит перемещение валентных электронов к более электроотрицательному атому с образованием ионов.

Для обозначения их условного заряда в соединении введено понятие «степень окисления».

В ионных соединениях степень окисления отражает истинный заряд ионов, что связано с переходом электронов от атомов металла к атомам неметалла:

Этот процесс можно условно разбить на два уравнения:

Окислением называется процесс отдачи электронов, сопровождающийся повышением степени окисления.

Восстановлением называется процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления.

Эти два процесса взаимосвязаны, так как электроны от атома, отдающего электроны, переходят к атому, присоединяющему электроны.

Однако с нашей точки зрения, в большом масштабе, мы видим не изолированные атомы, а реальные вещества: натрий очень активно горит в хлоре ярким жёлтым пламенем.

Вещество, в состав которого входит элемент, способный присоединять электроны и понижать свою степень окисления, называется окислителем.

Из химических элементов типичными окислителями являются неметаллы – элементы VII, VI, V групп периодической системы элементов: это фтор (наиболее сильный окислитель, который никогда не выступает в роли восстановителя), кислород, хлор, бром, йод, азот, сера.

Вещество, в состав которого входит элемент, способный отдавать электроны и увеличивать свою степень окисления, называется восстановителем.

Типичными восстановителями являются металлы. Чем левее и ниже они находятся в периодической системе, тем сильнее их восстановительные свойства. Наиболее сильные восстановители – это щелочные и щелочноземельные металлы.

 Может показаться немного запутанным, но на самом деле запомнить это несложно - достаточно вспомнить бытовую фразу «металл окислился» и знать, что при этом он отдал электроны:

Ионы Fe³⁺ придают химическим соединениям, в состав которых входят, бурые и тёмно-оранжевые оттенки.

Реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления элементов, называются окислительно-восстановительными.

Такими реакциями является абсолютное большинство из протекающих в быту и в технике химических реакций.

К ним относятся все реакции соединения простых веществ, реакции замещения, большинство реакций разложения.

Окислительно-восстановительные реакции проходят в живых организмах в процессе обмена веществ. Например, в процессе фотосинтеза образуется кислород – здесь атомы кислорода тоже окисляются, поскольку степень окисления атомов увеличивается:

Однако вернёмся к примеру с горением натрия в хлоре.

Здесь хлор – окислитель, натрий – восстановитель.

Здесь окислитель и восстановитель – разные элементы.

Реакций такого типа множество, например, соединение простых веществ.

Но также существуют реакции, в которых окислителем и восстановителем выступает один и тот же химический элемент.

Это реакции диспропорционирования и конпропорционирования.

Отличаются они тем, что в первом случае из одной степени окисления получается несколько: 

H₂O+ Cl₂= HCl+ HClO

При пропускании хлора через воду образуется хлорная вода.

Она обладает отбеливающими свойствами из-за нестойкой хлорноватистой кислоты HClO, которая легко разлагается на HCl и O– атомарный кислород, который является очень сильным окислителем и легко вступает в реакции с органическими красителями с образованием бесцветных веществ.

Степень окисления атомов хлора в простом веществе 0, в хлороводороде –1, в хлорноватистой кислоте +1.

При разложении перекиси водорода образуется кислород, который обладает обеззараживающими свойствами (из-за своей большой химической активности):

H₂O₂= H₂O+ O₂

Степени окисления атомов кислорода в перекиси водорода –1, в воде –2, в простом веществе 0.

В случае с конпропорционированием происходит наоборот: из нескольких степеней окисления получается одна:

SO₂+ 2H₂S= 3S+ 2H₂O

При реакции сернистого газа и сероводорода образуется элементарная сера S.

Степени окисления атомов серы в сернистом газе +4, в сероводороде –2, в простом веществе - 0.

Окислительно-восстановительные реакции, как и все другие, подчиняются общему закону природы – закону сохранения массы и энергии.

А именно: в реакционной системе сохраняется число электронов. То есть число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем.

В химии важно владеть языком формул и уравнений, которые отражают не только закономерности строения веществ, но и закономерности протекания химических реакций.

Расставлять коэффициенты в уравнениях сложных окислительно-восстановительных реакций путем их подбора – дело весьма трудное, а часто вообще невозможное.

Успех быстрого и правильного составления уравнения на самом деле очень прост:

надо помнить, что число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых окислителем.

Всё это можно сделать легко и быстро, если следовать определенному алгоритму.

Алгоритм расстановки коэффициентов
в уравнениях окислительно-восстановительных реакций
на примере термического разложения перманганата калия

Или разберём другой пример:

Концентрированная серная кислота H₂SO₄ является сильным окислителем:

• при реакции её с металлами выделяется не водород, а разные соединения серы в зависимости от активности металла
• она также реагирует и с неметаллами

H₂SO₄+ C= SO₂+ CO₂+ H₂O

(окисление угля до углекислого газа)

1. Определим, какие элементы изменяют степень окисления:

S: от +6 до +4

С: от 0 до +4

2. Выпишем, сколько электронов принимают и отдают эти атомы:

S⁺⁶+ 2e^–= S⁺⁴

C= C⁺⁴+ 4e^–

3. Уравняем количество отданных и принятых электронов:

2S⁺⁶+ 4e^–= 2S⁺⁴

C= C⁺⁴+ 4e^–

4. Проставим соответствующие коэффициенты в уравнении:

2H₂SO₄+ C= 2SO₂+ CO₂+ H₂O

 5. Если проверить количество других атомов (кислорода и водорода), то мы видим, что в правой части не хватает ещё одной молекулы воды, – поставим коэффициент 2.

2H₂SO₄+ C = 2SO₂+ CO₂+ 2H₂O

Уравнение готово! 

Умение составлять такие уравнения может вам пригодиться, в первую очередь, для того, чтобы уметь их читать и понимать.

Да и потом, когда-нибудь, когда в школу пойдёт уже ваш ребёнок, он может попросить вас помочь ему расставить коэффициенты в подобном уравнении.