Окислительно-восстановительные свойства веществ
Изучите окислительно-восстановительные реакции, процессы окисления и восстановления, окислители и восстановители, изменение степеней окисления и роль ОВР в химии.
Введение
Ранее были изучены основные классы неорганических соединений: оксиды, кислоты, основания и соли. Однако химические реакции различаются не только по составу реагентов и продуктов. Многие процессы сопровождаются изменением степеней окисления элементов, что свидетельствует о переносе электронов между атомами. Такие реакции называют окислительно-восстановительными (ОВР).
Окислительно-восстановительные процессы играют важнейшую роль в природе и технике. К ним относятся процессы дыхания, фотосинтеза, коррозии металлов, горения топлива, работы аккумуляторов и получения металлов из руд.
Для понимания окислительно-восстановительных реакций необходимо знать понятие степени окисления.
Степень окисления
Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, который возник бы при полном переходе электронов от одного атома к другому.
Примеры:
NaCl → Na⁺¹, Cl⁻¹
H₂O → H⁺¹, O⁻²
KMnO₄ → K⁺¹, Mn⁺⁷, O⁻²
Степень окисления помогает определить, какие атомы участвуют в переносе электронов.
Процессы окисления и восстановления
Любая ОВР состоит из двух взаимосвязанных процессов.
Окисление
Окисление — процесс отдачи электронов атомом, ионом или молекулой.
При окислении степень окисления увеличивается.
Пример:
Fe⁰ − 2e⁻ → Fe²⁺
Железо отдало два электрона, поэтому произошло окисление.
Восстановление
Восстановление — процесс присоединения электронов атомом, ионом или молекулой.
При восстановлении степень окисления уменьшается.
Пример:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰
Ион меди принял электроны, поэтому произошло восстановление.
Окислитель и восстановитель
В любой ОВР участвуют два вещества.
Восстановитель
Восстановитель отдаёт электроны, при этом сам окисляется.
Пример:
Zn⁰ → Zn²⁺
Цинк является восстановителем.
Окислитель
Окислитель принимает электроны, при этом сам восстанавливается.
Пример:
Cu²⁺ → Cu⁰
Ион меди является окислителем.
Связь свойств веществ со строением атомов
Способность вещества быть окислителем или восстановителем определяется строением его атомов.
- Металлы легко отдают электроны, поэтому большинство металлов являются восстановителями.
- Чем легче металл отдаёт электроны, тем сильнее его восстановительные свойства.
- Неметаллы обычно принимают электроны, поэтому многие неметаллы являются окислителями.
Окислительно-восстановительные свойства различных классов веществ
1. Металлы
Большинство металлов проявляют восстановительные свойства.
Пример:
2Al + 3CuSO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3Cu
Алюминий является восстановителем.
2. Неметаллы
Многие неметаллы являются окислителями.
Пример:
2Na + Cl₂ → 2NaCl
Хлор является окислителем.
3. Оксиды
Окислительно-восстановительные свойства оксидов зависят от степени окисления элемента.
Оксиды с максимальной степенью окисления
Если элемент находится в максимальной степени окисления, дальнейшее окисление невозможно. Такие вещества обычно являются окислителями.
Примеры:
SO₃ (S⁺⁶)
Mn₂O₇ (Mn⁺⁷)
CrO₃ (Cr⁺⁶)
Оксиды с минимальной степенью окисления
Если элемент находится в минимальной степени окисления, вещество проявляет восстановительные свойства.
Примеры:
CO (C⁺²)
SO₂ (S⁺⁴)
4. Кислоты
Большинство кислот проявляют кислотные свойства, однако некоторые из них одновременно обладают окислительной способностью.
Азотная кислота
Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
Окислителем является азот в степени окисления +5.
Концентрированная серная кислота
Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O
Окислителем выступает сера в степени окисления +6.
Окислительно-восстановительная двойственность веществ
Некоторые вещества способны проявлять и окислительные, и восстановительные свойства. Такие вещества содержат элементы в промежуточных степенях окисления.
Примеры:
SO₂ (S⁺⁴)
H₂O₂ (O⁻¹)
NO₂ (N⁺⁴)
Двойственность SO₂
Как восстановитель
2SO₂ + O₂ → 2SO₃
Как окислитель
SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O
Следовательно, SO₂ способен быть и восстановителем, и окислителем.
Периодичность окислительно-восстановительных свойств
Окислительно-восстановительные свойства элементов изменяются периодически.
В периоде
При движении слева направо:
- уменьшаются восстановительные свойства;
- усиливаются окислительные свойства.
В группе
Для металлов при движении сверху вниз:
- усиливаются восстановительные свойства.
Как определить окислитель и восстановитель
Алгоритм
-
Определить степени окисления всех элементов.
-
Найти элементы, изменившие степень окисления.
-
Определить:
- степень окисления увеличилась → произошло окисление;
- степень окисления уменьшилась → произошло восстановление.
-
Установить:
- окисляется → восстановитель;
- восстанавливается → окислитель.
Сводная таблица
| Процесс | Что происходит с электронами | Изменение степени окисления |
|---|---|---|
| Окисление | Отдача электронов | Увеличивается |
| Восстановление | Присоединение электронов | Уменьшается |
| Частица | Что делает | Во что превращается |
|---|---|---|
| Восстановитель | Отдаёт электроны | Окисляется |
| Окислитель | Принимает электроны | Восстанавливается |
Значение окислительно-восстановительных реакций
ОВР лежат в основе многих природных и промышленных процессов:
- дыхание живых организмов;
- фотосинтез;
- горение топлива;
- коррозия металлов;
- производство металлов;
- работа гальванических элементов и аккумуляторов;
- очистка воды и воздуха.
Главное запомнить
- Окисление — отдача электронов.
- Восстановление — присоединение электронов.
- Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
- Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
- Изменение степеней окисления является главным признаком ОВР.
- Металлы чаще выступают восстановителями, а неметаллы — окислителями.
- Многие процессы природы и техники основаны на окислительно-восстановительных реакциях.