Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительными называются реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Под степенью окисления (п) понимают тот условный заряд атома, который вычисляется исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов. Иными словами: степень окисления – это тот условный заряд, который приобрел бы атом элемента, если предположить, что он принял или отдал то или иное число электронов.

Окисление-восстановление – это единый, взаимосвязанный процесс. Окисление приводит к повышению степени окисления восстановителя, а восстановление – к ее понижению у окислителя.

Повышение или понижение степени окисления атомов отражается в электронных уравнениях; окислитель принимает электроны, а восстановитель их отдает. При этом не имеет значения, переходят ли электроны от одного атома к другому полностью и образуются ионные связи или электроны только оттягиваются к более электроотрицательному атому и возникает полярная связь. О способности того или иного вещества проявлять окислительные, восстановительные или двойственные (как окислительные, так и восстановительные) свойства можно судить по степени окислении атомов окислителя и восстановителя.

Атом того или иного элемента в своей высшей степени окисления не может ее повысить (отдать электроны) и проявляет только окислительные свойства, а в своей низшей степени окисления не может ее понизить (принять электроны) и. проявляет только восстановительные свойства. Атом же элемента, имеющий промежуточную степень окисления, может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Например:

N⁵⁺ (HNO₃) S⁶⁺ (H₂SO₄) проявляют только окислительные свойства;

N⁴⁺ (NO₂) S⁴⁺ (SO₂)

N³⁺ (HNO₂)

N²⁺ (NO) S²⁺ (SO) проявляют окислительные и восстанови-

N¹⁺ (N₂O) тельные свойства;

N⁰ (N₂) S⁰ (S₂; S₈)

N^-1 (NH₂OH) S^-1 (H₂S₂)

N^2- (N₂H₄)

N^3- (NH₃) S^2- (H₂S) проявляют только восстановительные свойства.

При окислительно-восстановительных реакциях валентность атомов может и не меняться. Например, в окислительно-восстановительной реакции Н₂⁰ + С1₂⁰ = 2H⁺Cl^– валентность атомов водорода и хлора до и после реакции равна единице. Изменилась их степень окисления. Валентность определяет число связей, образованных данным атомом, и поэтому знака не имеет. Степень же окисления имеет знак плюс или минус.

Пример 1. Исходя из степени окисления (п) азота, серы и марганца в соединениях NH₃, HNO₂, HNO₃, H₂S, H₂SO₃, H₂SO₄, MnO₂, KMnO₄, определите, какие из них могут быть только восстановителями, только окислителями и какие проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства.

Решение. Степень окисления п (N) в указанных соединениях соответственно равна: –3 (низшая), + 3 (промежуточная), +5 (высшая); п (S) соответственно равна:
–2 (низшая), +4 (промежуточная), +6 (высшая); п (Мn) соответственно равна: +4 (промежуточная), +7 (высшая). Отсюда: NH₃, H₂S – только восстановители; HNO₃, H₂SO₄, KMnO₄ – только окислители; HNO₂, H₂SO₃, MnO₂ – окислители и восстановители.

Пример 2. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между следующими веществами: a) H₂S и Hl; б) Н₂S и H₂SO₃; в) H₂SO₃ и НСlO₄?

Решение. а) Степень окисления в H₂S n (S) = –2; в Hl n (l) = –1. Так как и сера, и йод находятся в своей низшей степени окисления, то оба взятые вещества проявляют только восстановительные свойства и взаимодействовать друг с другом не могут; б) в H₂S n (S) = –2 (низшая); в H₂SO₃ n (S) = +4 (промежуточная). Следовательно, взаимодействия этих веществ возможно, причем H₂SO₃ является окислителем; в) в H₂SO₃ п (S) = +4 (промежуточная); в НСlО₄ п (Cl) = +7 (высшая). Взятые вещества могут взаимодействовать. H₂SO₃ в этом случае будет проявлять восстановительные свойства.

Пример 3. Составьте уравнения окислительно-восстановительной реакции, идущей по схеме:

+ 7 +3 +2 +5

КМnО₄ + Н₃РО₃ + H₂SO₄ ® MnSO₄ + Н₃РО₄ + K₂S0₄ + Н₂О

Решение. Если в условии задачи даны как исходные вещества, так и продукты их взаимодействия, то написание уравнения реакции сводится, как правило, к нахождению и расстановке коэффициентов. Коэффициенты определяют методом электронного баланса с помощью электронных уравнений. Вычисляем, как изменяют свою степень окисления восстановитель и окислитель, и отражаем это в электронных уравнениях:

восстановитель 5 P³⁺ – 2e^– = P⁵⁺ процесс окисления

окислитель 2 Mn⁷⁺ + 5e^– = Mn²⁺ процесс восстановления

Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, которое присоединяет окислитель. Общее наименьшее кратное для отданных и принятых электронов десять. Разделив это число на 5, получаем коэффициент 2 для окислителя и продукта его восстановления, а при делении 10 на 2 получаем коэффициент 5 для восстановителя и продукта его окисления. Коэффициент перед веществами, атомы которых не меняют свою степень окисления, находят подбором. Уравнение реакции будет иметь вид:

2КМnО₄ + 5Н₃РО₃ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + 5Н₃РО₄ + K₂SO₄ + ЗН₂О

Пример 4.Составьте уравнение реакции взаимодействия цинка с концентрированной серной кислотой, учитывая максимальное восстановление последней.

Решение. Цинк, как любой металл, проявляет только восстановительные свойства. В концентрированной серной кислоте окислительную функцию несет сера (+6). Максимальное восстановление серы означает, что она приобретает минимальную степень окисления. Минимальная степень окисления серы как р-элемента VIA группы равна –2. Цинк как металл IIВ группы имеет постоянную степень окисления +2. Отражаем сказанное в электронных уравнениях:

восстановитель 4 Zn⁰ – 2e^– = Zn²⁺ процесс окисления

окислитель 1 S⁶⁺ + 8e^– = S^2– процесс восстановления

Составляем уравнение реакции:

4Zn + 5H₂SO₄ = 4ZnSO₄+ H₂S + 4H₂O

Перед H₂SO₄ стоит коэффициент 5, а не 1, ибо четыре молекулы H₂SO₄ идут на связывание четырех ионов Zn²⁺.

Контрольные вопросы

221. Исходя из степени окисления хлора в соединениях HCl, НС1О₃, НСlO₄, определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

KBr + KBrO₃ + H₂SO₄ ® Br₂ + K₂SO₄ + Н₂О

222. Реакции выражаются схемами:

Р + НlO₃+ Н₂О ® Н₃РО₄ + Hl

H₂S + Cl₂ + Н₂О ® H₂SO₄ + HCl

Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, какое – восстановителем; какое вещество окисляется, какое – восстанавливается.

223. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих превращениях:

As^3– ® As⁵⁺; N³⁺ ® N^3–; S^2– ® S⁰

На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

Na₂SO₃ + КМnО₄ + Н₂О ® Na₂SO₄ + МnО₂ + КОН

224. Исходя из степени окисления фосфора в соединениях РН₃, Н₃РО₄, H₃PO₃, определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

PbS + HNO₃ ® S + Pb(NO₃)₂ + NO + H₂O

225. См. условие задачи 222.

P + HNO₃ + H₂O ® H₃PO₄ + NO

KMnO₄ + Na₂SO₃ + KOH ® K₂MnO₄ + Na₂SO₄ + H₂O

226. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих превращениях:

Mn⁶⁺ ® Mn²⁺; Cl⁵⁺ ® Cl^–; N^3– ® N⁵⁺

На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

Сu₂О + HNO₃ ® Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

227. См. условие задачи 222.

HNO₃ + Ca ® NH₄NO₃ + Ca(NO₃)₂ + Н₂О

K₂S + KMnO₄ + H₂SO₄ ® S + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O

228. Исходя из степени окисления хрома, йода и серы в соединениях K₂Cr₂O₇, KI и H₂SO₃, определите; какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

NaCrO₂ + РbО₂ + NaOH ® Na₂CrO₄ + Na₂PbO₂ + H₂O

229. См. условие задачи 222.

H₂S + Cl₂ + H₂O ® H₂SO₄ + HCl

K₂Cr₂O₇ + H₂S + H₂SO₄ ® S + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

230. См. условие задачи 222.

KClO₃ + Na₂SO₃ ® КСl + Na₂SO₄

KMnO₄ + HBr ® Br₂ + KBr +MnBr₂ + H₂O

231. См. условие задачи 222.

Р + НСlO₃ + Н₂О ® Н₃РО₄ + НСl

H₃AsO₃ + КМnО₄ + H₂SO₄ ® H₃AsO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

232. См. условие задачи 222.

NaCrO₃ + Вr₂ + NaOH ® Na₂CrO₄ + NaBr + Н₂О

FeS + HNO₃ ® Fe(NO₃)₂ + S + NO + H₂O

233. См. условие задачи 222.

HNO₃ + Zn ® N₂O + Zn(NO₃)₂ + H₂O

FeSO₄ + KClO₃ + H₂SO₄ ® Fe₂(SO₄)₃ + KCl + H₂O

234. См. условие задачи 222.

K₂Cr₂O₇ + HCl ® Cl₂+ CrCl₃ + KCl + H₂O

Au + HNO₃ + HCl ® AuCl₃ + NO + H₂O

235. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между веществами: a) NH₃ и КМnО₄; б) HNO₂ и Hl; в) НСl и H₂Se? Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

КМnО₄ + КNО₂ + H₂SO₄ ® MnSO₄ + KNO₃+ K₂SO₄ + H₂O

236. См. условие задачи 222.

HCl + СrО₃ ® Сl₂ + CrCl₃ + Н₂О

Cd + КМnО₄ + H₂SO₄ ® CdSO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

237. См. условие задачи 222.

Сr₂О₃ + КСlO₃ + КОН ® К₂СrО₄ + КСl + Н₂О

MnSO₄ + РbО₂ + HNO₃ ® НМnО₄ + Pb(NO₃)₂ + PbSO₄ + Н₂О

238. См. условие задачи 222.

H₂SO₃ + НСlO₃ ® H₂SO₄ + HCl

FeSO₄ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ ® Fe₂(SO₄)₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + Н₂О

239. См. условие задачи 222.

l₂ + Cl₂ + Н₂О ® НlO₃ + HCl

K₂Cr₂O₇ + H₃PO₃ + H₂SO₄ ® Cr₂(SO₄)₃ + H₃PO₄ + K₂SO₄ + H₂O

240. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между веществами: а) РН₃ и НВr; б) К₂Сr₂О₇ и Н₃РО₃; в) HNO₃ и H₂S? Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

AsH₃ + HNO₃ ® H₃AsO₄ + NO₂ + H₂O