Глава V.39 Окислительно-восстановительные реакции

🎧 Аудио сопровождение

Сравните реакции, характеризующие свойства соляной кислоты: её взаимодействие с раствором карбоната натрия и с цинком. Чем различаются эти химические реакции?

Вы можете верно указать различия между реакциями: первая – это гомогенная реакция обмена, вторая – гетерогенная реакция замещения. Однако эти реакции различаются ещё по одному очень существенному признаку. Чтобы его сформулировать, запишите уравнения химических реакций, расставьте степени окисления элементов, образующих реагенты и продукты реакции:

$\overset{}{2} \overset{+ 1}{H} \overset{- 1}{Cl} \overset{}{+} {\overset{+ 1}{Na}}_{2} \overset{+ 4}{C} {\overset{- 2}{O}}_{3} \overset{}{=} \overset{}{2} \overset{+ 1}{Na} \overset{- 1}{Cl} \overset{}{+} \overset{+ 4}{C} {\overset{- 2}{O}}_{2} \overset{}{↑} \overset{}{+} {\overset{+ 1}{H}}_{2} \overset{- 2}{O}$

$2 \overset{+ 1}{H} \overset{- 1}{Cl} + \overset{0}{Zn} = \overset{+ 2}{Zn} \overset{- 1}{{Cl}_{2}} + \overset{0}{H_{2}}$

Нетрудно заметить, что в реакции обмена атомы химических элементов, участников этой реакции, не изменили свои степени окисления. Во второй реакции атомы двух элементов – водорода и цинка – изменили свои степени окисления.

Степень окисления атомов водорода понизилась от +1 до 0:

$\overset{}{2} \overset{+ 1}{H} \overset{}{+} \overset{}{2 \bar{e}} \to {\overset{0}{H}}_{2}$

Степень окисления атома цинка повысилась от 0 до +2:

$\overset{0}{Zn} - 2 \bar{e} \to \overset{+ 2}{Zn}$

Если в ходе химического превращения происходит изменение степеней окисления атомов элементов, реакция называется окислительно-восстановительной. В том случае, если после взаимодействия степени окисления атомов всех элементов остались без изменения, реакция не является окислительно-восстановительной.

Реакции, в результате которых происходит изменение степеней окисления атомов химических элементов, образующих вещества, называются окислительно-восстановительными.

Например, реакции соединения оксида натрия с водой, разложения гидроксида меди(II), обмена между нитратом серебра и хлоридом натрия не являются окислительно-восстановительными:

${\overset{+ 1}{Na}}_{2} \overset{- 2}{O} \overset{}{+} {\overset{+ 1}{H}}_{2} \overset{- 2}{O} \overset{}{= \overset{}{2} \overset{+ 1}{Na} \overset{- 2}{O} \overset{+ 1}{H}}$

166

$\overset{+ 2}{Cu} {\overset{}{(} \overset{- 2}{O} \overset{+ 1}{H})}_{2} \overset{t}{=} \overset{+ 2}{Cu} \overset{- 2}{O} \overset{}{+} {\overset{+ 1}{H}}_{2} \overset{- 2}{O}$

$\overset{+ 1}{Ag} \overset{+ 5}{N} {\overset{- 2}{O}}_{3} \overset{}{+} \overset{+ 1}{Na} \overset{- 1}{Cl} \overset{}{=} \overset{+ 1}{Ag} \overset{- 1}{Cl} \overset{}{↓} \overset{}{+} \overset{+ 1}{Na} \overset{+ 5}{N} {\overset{- 2}{O}}_{3}$

В реакциях соединения водорода с хлором, разложения оксида ртути(II), замещения между оксидом меди(II) и водородом происходит изменение степеней окисления атомов: это окислительно-восстановительные реакции:

${\overset{0}{H}}_{2} \overset{}{+} {\overset{0}{Cl}}_{2} \overset{}{=} \overset{}{2} \overset{+ 1}{H} \overset{- 1}{Cl}$

$\overset{}{2} \overset{+ 2}{Hg} \overset{- 2}{O} \overset{t}{=} \overset{}{2} \overset{0}{Hg} \overset{}{+} {\overset{0}{O}}_{2} \overset{}{↑}$

$\overset{+ 2}{Cu} \overset{- 2}{O} \overset{}{+} {\overset{0}{H}}_{2} \overset{t}{=} \overset{0}{Cu} \overset{}{+} {\overset{+ 1}{H}}_{2} \overset{- 2}{O}$

Приведённые примеры служат подтверждением того, что реакции соединения и разложения бывают как окислительно-восстановительными, так и протекающими без изменения степеней окисления. Вместе с тем все реакции замещения – это окислительно-восстановительные процессы. Напротив, реакции обмена к таковым не относятся.

Откуда происходит термин окислительно-восстановительная реакция?

Рассмотрим схему взаимодействия алюминия с соляной кислотой:

$\overset{0}{Al} \overset{}{+} \overset{+ 1}{H} \overset{- 1}{Cl} \to \overset{+ 3}{Al} {\overset{- 1}{Cl}}_{3} \overset{}{+} {\overset{0}{H}}_{2}$

Нетрудно отметить, что степени окисления изменяют атомы двух элементов: алюминия и водорода. При этом каждый атом алюминия повышает степень окисления от 0 до +3, а значит, отдаёт три электрона:

$\overset{0}{Al} - 3 \bar{e} \to \overset{3 +}{Al}$ – процесс отдачи электронов – окисление.

Отдачу атомом электронов называют окислением (обратите внимание, что слова «отдача» и «окисление» начинаются с одной буквы).

Атомы водорода свою степень окисления понижают с +1 до 0. Происходит это за счёт принятия электронов, которые ранее принадлежали атомам алюминия. Поскольку в результате реакции образуется простое вещество водород, молекула которого состоит из двух атомов, для её образования необходимо два исходных атома водорода в степени окисления +1:

$\overset{}{2} \overset{+ 1}{H} + 2 \bar{e} \to {\overset{0}{H}}_{2}$ – процесс взятия электронов – восстановление.

Принятие атомом электронов называют восстановлением.

Процесс отдачи электронов называется окислением, процесс принятия электронов – восстановлением.

Поскольку в результате реакции атомы одних элементов восстанавливаются, других – окисляются и это происходит одновременно и в неразрывном единстве, такие процессы называют окислительно-восстановительными.

167

Конечно же, в окислительно-восстановительных реакциях должны соблюдаться законы сохранения не только массы веществ, но и зарядов, т. е. числа отданных и принятых электронов.

Очевидно, что в уравнении окислительно-восстановительной реакции число отданных и принятых атомами электронов должно быть одинаковым. Чтобы это условие соблюдалось, подбирают соответствующие коэффициенты. Для этого число отданных и принятых электронов переписывают крест-накрест и при необходимости сокращают:

Найденные коэффициенты позволили уравнять число отданных и принятых электронов. Следовательно, в левой и правой частях уравнения окислительно-восстановительной реакции должно быть по 2 атома алюминия и по 6 атомов водорода. Коэффициент 2 записывают в схеме реакции перед формулами алюминия и хлорида алюминия. Коэффициент 3 записывают перед формулой водорода в правой части схемы. Чтобы уравнять элемент водород, в левой части перед формулой соляной кислоты надо записать коэффициент 6. Осталось проверить число атомов хлора и убедиться, что в обеих частях схемы оно равно 6. Уравнение окислительно-восстановительной реакции готово:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑

Предложенный способ подбора коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях носит название метод электронного баланса.

При составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций необходимо указывать вещества, которые в каждой из них выполняют роль окислителя (принимают электроны) и восстановителя (отдают электроны).

Вещество, в состав которого входят атомы элемента, принимающие электроны, называется окислителем. Вещество, в состав которого входят атомы элемента, отдающие электроны, называется восстановителем.

В приведённой реакции алюминий – восстановитель, соляная кислота (за счёт атомов водорода в степени окисления +1) — окислитель.

В качестве подсказки при толковании терминов «окисление» и «восстановление», а также для удобства использования метода электронного баланса приведём схему 10. Если изменение степени окисления, согласно схеме, происходит слева направо — это процесс окисления, отдачи электронов, в схеме баланса надо писать «−n $\bar{e}$ ».

Схема 10

168

Напротив, изменение степени окисления, согласно схеме, справа налево соответствует процессу восстановления, принятия электронов, в схеме следует записывать «+n». Число отданных или принятых электронов n также легко определить по схеме как число единичных отрезков между исходной и конечной степенями окисления атомов.

Окислительно-восстановительные реакции. Окисление. Восстановление. Окислитель. Восстановитель. Метод электронного баланса

Проверьте свои знания

Какие реакции называют окислительно-восстановительными?
Как найти степень окисления атома химического элемента по формуле его соединения?
Приведите формулы простых веществ, которые в химических реакциях проявляют свойства: а) окислителя; б) восстановителя.
Приведите формулы сложных веществ, которые в химических реакциях проявляют свойства: а) окислителя; б) восстановителя.

Примените свои знания

Укажите схемы окислительно-восстановительных реакций. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления для выбранных вами уравнений.
а) K₂O + H₂O → KOH
б) K + H₂O → KOH + H₂в) FeCl₃ + KOH → Fe (OH)₃ + KCl
г) Cu + AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + Ag
Определите, в каких схемах имеет место процесс окисления, в каких – восстановления. Укажите число отданных и принятых электронов.
$а) 2 \overset{+ 1}{H} \to {\overset{0}{H}}_{2}; б) \overset{0}{Р} \to \overset{+ 5}{Р}; в) \overset{- 2}{S} \to \overset{+ 4}{S}; г) \overset{+ 6}{Cr} \to \overset{+ 3}{Cr}; д) \overset{- 3}{N} \to \overset{+ 2}{N}; e) \overset{+ 3}{Fe} \to \overset{+ 2}{Fe}; ж) 2 \overset{- 1}{Cl} \to \overset{0}{{Cl}_{2}} .$
Используя метод электронного баланса, составьте уравнения реакций, соответствующие следующим схемам превращений:
а) CuO + NH₃ → Cu + N₂ + H₂O
б) HCl + MnO₂ → MnCl₂ + Cl₂ + H₂O
в) Si + NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + H₂г) Сu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O
Определите окислители и восстановители.
Укажите коэффициент перед формулой восстановителя в уравнении окислительно-восстановительной реакции, схема которой
NH₃ + O₂ → N₂ + H₂O
В какой из реакций сера выполняет роль восстановителя, а в какой – окислителя?
а) S + Al → Al₂S₃б) S + HNO₃ → SO₂ + NO₂ + H₂O
Составьте уравнения реакций, используя метод электронного баланса.

Используйте дополнительную информацию

Укажите формулы веществ, которые в химических реакциях могут быть только окислителями, только восстановителями, а также проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства: а) F₂; б) Ca; в) HNO₃; г) Р; д) SO₂. Приведите аргументы.

169