Окислительно-восстановительные реакции

Реакции, в которых происходит окисление и восстановление, называются окислительно-восстановительными.

Окисление – это процесс добавления атомов кислорода. А процесс восстановления – это потеря кислорода. Например, реакция получения железа из его оксида при взаимодействии с углём:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO.

В этой реакции углерод приобретает атомы кислорода, а оксид железа (III) – отдаёт атомы кислорода и восстанавливается. Вещество, которое окисляется, называется восстановителем, а вещество, которое восстанавливается, называется окислителем. Таким образом, окисление – это потеря электронов, а восстановление – приобретение электронов.

Восстановитель – это элемент, который теряет электроны и тем самым увеличивает свою степень окисления, восстановитель в процессе реакции окисляется. Окислитель – это элемент, который получает электроны и понижает свою степень окисления. Окислитель в процессе реакции восстанавливается.

Таким образом, окислитель принимает электроны, понижает степень окисления, отдаёт атомы кислорода или принимает атомы водорода, восстанавливается. Восстановитель отдаёт электроны, повышает степень окисления, принимает атомы кислорода или отдаёт атомы водорода, окисляется.

Любая окислительно-восстановительная реакция состоит из двух процессов: окисления и восстановления. Окислительно-восстановительная реакция сводится к переносу электронов от восстановителя к окислителю. Общее число электронов в результате реакции не изменяется, поэтому число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых окислителем.

К сильным окислителям относятся простые вещества, соответствующие типичным неметаллам, а также многие вещества, в которых элементы находятся в высших степенях окисления.

Например: O₂, O₃, F₂, Cl₂, Br₂, I₂ – типичные неметаллы, MnO₂, CrO₃, PbO₂, N₂O, NO₂, H₂SO₄ (конц.), HNO₃, HClO, HClO₄ (конц.), KMnO₄, K₂Cr₂O₇, KClO₃, CaOCl₂, NaNO₂, H₂O₂, Na₂O₂, KO₂.

Нужно запомнить, как элементы изменяют свои степени окисления:

O₂⁰ + 4ē → 2O^-2

O₃⁰ + 6ē → 3O^-2

F₂⁰ + 2ē → 2F^-

Cl₂⁰ + 2ē → 2Cl^-

2O^-1 + 2ē → 2O^-2

KMnO₄ → Mn²⁺ – в кислой среде

KMnO₄ → MnO₂ – в нейтральной среде

KMnO₄ → K₂MnO₄ – в щелочной среде

K₂Cr₂O₇ → 2Cr³⁺ – в кислой среде

H₂SO₄ → SO₂

HNO₃ (конц.) → NO₂

HNO₃ (разб.) → NO (со слабыми восстановителями)

HNO₃ (разб.) → NH₄NO₃ (с сильными восстановителями).

Восстановителями являются простые вещества – активные металлы, неметаллы в соединениях, в которых элементы находятся в низших степенях окисления. К таким веществам относятся щелочные металлы, металлы II A группы, алюминий, водород, углерод, CO, (NH₄)₂S, KI, FeCl₂, SnCl₂, HI, H₂S, PH₃, NH₃, NaH.

Например:

C⁰ - 4ē → C⁺⁴

H₂⁰ - 2ē → 2H⁺¹

Me⁰ - nē → Me⁺ⁿ

S^-2 - 2ē → S⁰

2I^- - 2ē → I₂⁰.

Восстановительную активность металлов и окислительную способность их ионов в водном растворе можно прогнозировать с помощью ряда напряжений металлов. В этом ряду металлы расположены в порядке уменьшения их восстановительной способности в водном растворе. В ряду напряжений металлов слева направо сила окислителей увеличивается, а справа налево, наоборот, увеличивается сила восстановителей.

Таким образом, чем левее расположен металл в ряду напряжений, тем больше его восстановительная способность и тем меньше окислительная способность его иона в растворе. Металлы в этом ряду могут вытеснять из растворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений правее его (это правило не применимо для щелочных и щелочноземельных металлов). Кроме того, все металлы, которые стоят левее водорода, способны вытеснять водород из растворов кислот (это правило не применимо для концентрированной H₂SO₄ и концентрированной, и разбавленной HNO₃). Металлы, которые стоят в ряду напряжений до марганца, вытесняют водород из воды.

Если в веществе элемент находится в промежуточной степени окисления, тогда это вещество может быть как окислителем, так и восстановителем. Например, SO₂ может быть и восстановителем, и окислителем:

S⁺⁴ - 2ē → S⁺⁶ – восстановитель

S⁺⁴ + 4ē → S⁰ – окислитель

Н₂О₂

2О^-1 - 2ē → О₂⁰ – восстановитель

2О^-1 + 2ē → 2О^-2 – окислитель

HNO₂

N⁺³ - 2ē → N⁺⁵ – восстановитель

N⁺³ + ē → N⁺² – окислитель

S

S⁰ - 4ē → S⁺⁴ – восстановитель

S⁰ + 2ē → S^-2 – окислитель.

Следует помнить, чем более сильный окислитель участвует в реакции, тем больше электронов отдаёт восстановитель и тем выше будет его степень окисления. Например, H₂S под действием слабых окислителей превращается в S (S^-2 - 2ē → S⁰), а под действием сильных окислителей, которые в избытке, сера превращается в H₂S → H₂SO₄ (S^-2 - 8ē → S⁺⁶). Чем более сильный восстановитель участвует в реакции, тем больше электронов принимает окислитель и тем больше понижает его степень окисления. Так, HNO₃ под действием слабых восстановителей превращается в HNO₃ → NO₂ (N⁺⁵ + ē → N⁺⁴), а под действием сильных восстановителей – в HNO₃ → NH₄NO₃ (N⁺⁵ + 8ē → N^-3).

Реакции, в которых один и тот же элемент является и окислителем, и восстановителем, называются реакциями диспропорционирования. К таким реакциям относятся реакции взаимодействия неметаллов со щелочами.

Для того чтобы составить уравнение окислительно-восстановительной реакции, следует выполнить следующие условия: во-первых, нужно определить степени окисления элементов и выяснить, какой из них является восстановителем, а какой окислителем. Во-вторых, определить, какие степени окисления будут у этих элементов после реакции. В-третьих, нужно учитывать характер среды.

Используя метод электронного баланса, составим уравнение реакции и расставим в нём коэффициенты:

FeSO₄ + … + H₂SO₄ → MnSO₄ + … + H₂O.

FeSO₄ будет восстановителем, так как железо здесь в степени окисления +2_, то есть железо будет повышать свою степень окисления до +3 в кислой среде. Значит в левой части должен быть окислитель, содержащий атомы Mn. Это не может быть KMnO₄ и K₂MnO₄, потому что в правой части уравнения нет вещества, содержащего атомы К. Поэтому в левой части должно быть вещество, содержащее атом марганца в степени окисления +4, а это MnO₂.

Получает уравнение:

FeSO₄ + MnO₂ + H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + MnSO₄ + H₂O.

Составим схему электронного баланса:

 Fe⁺² – ē → Fe⁺³               1 2 восстановитель

Mn⁺⁴ + 2ē → Mn⁺²        2           1 окислитель

2FeSO₄ + MnO₂ + 2H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + MnSO₄ + 2H₂O.

Составим ещё одно уравнение:

KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂O → …

Определим, какие продукты реакции образуются. KMnO₄ – окислитель, так как Mn находится в высшей степени окисления +7. В нейтральной среде Mn превращается в соединение MnO₂, Na₂SO₃ будет восстановителем, здесь сера в степени окисления +4, поэтому будет повышать её до +6, поэтому образуется соединение Na₂SO₄, оставшийся ион калия в нейтральной среде даст KOH. Получаем уравнение:

KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂O → MnO₂ + Na₂SO₄ + KOH

 S⁺⁴ - 2ē → S⁺⁶                  2 3 восстановитель

Mn⁺⁷ + 3ē → Mn⁺⁴        3           2 окислитель

2KMnO₄ + 3Na₂SO₃ + H₂O → 2MnO₂ + 3Na₂SO₄ + 2KOH.