Якісна характеристика окисно-відновних реакцій
Серед хімічних реакцій, в тому числі і в природі, окислювально-відновні реакції є найпоширенішими. До їх числа відносяться, наприклад, фотосинтез, обмін речовин, біологічні процеси, а також спалювання палива, отримання металів і багато інших реакції. Окислювально-відновні реакції здавна успішно використовувалися людством в різних цілях, але сама електронна теорія окислювально-відновних процесів з'явилася зовсім недавно - на початку XX століття.
Для того щоб перейти до сучасної теорії окислення-відновлення, необхідно провести кілька понять - це валентність, ступінь окислення і будова електронних оболонок атомів. Вивчаючи такі розділи, як Періодичний закон Д.І. Менделєєва. основи будови атомів елементів і хімічний зв'язок і будова молекул. ми вже стикалися з цими поняттями. Далі, розглянемо їх докладніше.
Валентність і ступінь окиснення
Валентність - поняття складне, яке виникло разом з поняттям хімічного зв'язку і визначається, як властивість атомів приєднувати або заміщувати певне число атомів іншого елемента, тобто це здатність атомів утворювати хімічні зв'язки в з'єднаннях. Спочатку валентність визначали за воднем (його валентність брали рівною 1) або кисню (валентність дорівнює 2). Пізніше стали розрізняти позитивну та негативну валентність. Кількісно, позитивна валентність характеризується кількістю відданих атомом електронів, а негативна валентність - числом електронів, які необхідно приєднати атому для реалізації правила октету (тобто завершення зовнішнього енергетичного рівня). Пізніше поняття валентності, стало поєднувати в собі також і природу хімічних зв'язків, що виникають між атомами в їх з'єднанні.
Як правило, вища валентність елементів відповідає номеру групи в періодичній системі. Але, як і у всіх правилах, є винятки: наприклад, мідь і золото знаходяться в першій групі періодичної системи і їх валентність повинна бути дорівнює номеру групи, тобто 1, але в дійсності ж вища валентність міді дорівнює 2, а золота - 3.
Ступінь окислювання іноді називають окислювальним числом, електрохімічної валентністю або станом окислення і є поняттям умовним. Так, при обчисленні ступеня окислення передбачається допущення, що молекулу складають тільки іони, хоча більшість з'єднань зовсім не є іонними. Кількісно ступінь окислення атомів елемента в з'єднанні визначається числом приєднаних до атома або зміщених від атома електронів. Таким чином, при відсутності зміщення електронів ступінь окислення буде нульова, при зміщенні електронів в сторону даного атома - негативна, при зміщенні від даного атома - позитивна.
Визначаючи ступінь окислення атомів необхідно дотримуватись наступних правил:
- У молекулах простих речовин і металів ступінь окислення атомів дорівнює 0.
- Водень майже у всіх з'єднаннях має ступінь окислення дорівнює +1 (і тільки в гидридах активних металів рівну -1).
- Для атомів кисню в його з'єднаннях типова ступінь окислення -2 (виключення: OF2 і пероксиди металів, ступінь окислення кисню відповідно дорівнює +2 і -1).
- Постійну ступінь окислення мають також атоми лужних (+1) і лужноземельних (+2) металів, а також фтору (-1)
- У простих іонних з'єднаннях, ступінь окислення дорівнює за величиною і знаку його електричного заряду.
- Для ковалентного з'єднання, більш електронегативний атом має ступінь окислення зі знаком «-», а менш електронегативний - зі знаком «+».
- Для комплексних сполук вказують ступінь окислення центрального атома.
- Сума ступенів окислення атомів в молекулі дорівнює нулю.
Наприклад, визначимо ступінь окислення Se в з'єднанні H2 SeO3
Так, ступінь окислення водню дорівнює +1, кисню -2, а сума всіх ступенів окислення дорівнює 0, складемо вираз, враховуючи число атомів в з'єднанні H2 + Se х O3 -2:
Знаючи яку величину має ступінь окислення елемента в з'єднанні можливо передбачити його хімічні властивості і реакційну активність по відношенню до інших сполук, а також чи є дане з'єднання відновником або окислювачем. Ці поняття в повній мірі розкриваються в теорії окислення-відновлення:
- Окислення - це процес втрати електронів атомом, іоном або молекулою, що призводить до підвищення ступеня окислення.
Al 0 -3e - = Al +3;
2Cl - -2e - = Cl2
- Відновлення - це процес при якому атом, іон або молекула набувають електрони, що призводить до зниження ступеня окислення.
Ca +2 + 2e - = Ca 0;
- Окислювачі - з'єднання, які беруть електрони в ході хімічної реакції, а відновники - віддають електрони з'єднання. Відновлювачі під час реакції окислюються, а окислювачі - відновлюються.
- Сутність окислювально-відновних реакцій - переміщення електронів (або зсув електронних пар) від одних речовин до інших, що супроводжуються зміною ступенів окислення атомів або іонів. У таких реакціях один елемент не може окислюватися без відновлення іншого, тому що передача електронів завжди викликає і окислення і відновлення. Таким чином, загальне число електронів, віднімають при окисленні у одного елемента, збігається з числом електронів, одержуваних іншим елементом при відновленні.
Так, якщо елементи в з'єднаннях знаходяться в своїх вищих ступенях окислення, то вони будуть проявляти тільки окисні властивості, в зв'язку з тим, що віддавати електрони вони вже більше не можуть. Навпаки, якщо елементи в з'єднаннях знаходяться в своїх нижчих ступенях окислення, то вони проявляють тільки відновні властивості, тому що приєднувати електрони вони більше не можуть. Атоми елементів в проміжній ступеня окислення, в залежності від умов протікання реакції, можуть бути як окислювачами, так і відновниками. Наведемо приклад: сірка в своїй надзвичайно окислення +6 в з'єднанні H2 SO4. може проявляти тільки окисні властивості, в поєднанні H2 S - сірка знаходиться в своїй нижчого ступеня окислення -2 і буде проявляти тільки відновні властивості, а в поєднанні H2 SO3 перебуваючи в проміжній ступеня окислення +4, сірка може бути як окислювачем, так і відновлювачем.
На підставі значень ступенів окислення елементів можна передбачити ймовірність реакції між речовинами. Зрозуміло, що якщо обидва елементи в своїх з'єднаннях знаходяться в вищих або нижчих ступенях окислення, то реакція між ними неможлива. Реакція можлива, якщо одне із з'єднань може проявляти окислювальні властивості, а інше - відновлювальні. Наприклад, в HI і H2 S як йод, так і сірка знаходяться в своїх нижчих ступенях окислення (-1 і -2) і можуть бути тільки відновниками, отже, реагувати один з одним не будуть. Зате вони прекрасно будуть взаємодіяти з H2 SO4. для якої характерні відновні властивості, тому що сірка тут знаходиться у своїй найвищій мірі окислення.
Найважливіші відновники і окислювачі представлені в наступній таблиці.
Всі метали, а також водень і углерод.Наіболее сильні відновники - лужні і лужноземельні метали, а також лантаноїди і актиноїди. Слабкі відновники - благородні метали - Au, Ag, Pt, Ir, Os, Pd, Ru, Rh.В головних підгрупах періодичної системи відновна здатність нейтральних атомів, зростає зі збільшенням порядкового номера.
негативно заряджені іони неметалів
Негативно заряджені іони є сильними відновниками, в зв'язку з тим, що вони можуть віддавати як надлишкові електрони, так і свої зовнішні електрони. Відновлювальна здатність, при однаковому заряді, зростає зі збільшенням радіуса атома. Наприклад, I - сильніший відновник, ніж Br - і Cl - .Восстановітелямі також можуть бути S 2. Se 2-. Te 2- і інші.
позитивно заряджені іони металів нижчого ступеня окислення
Іони металів нижчого ступеня окислення можуть проявляти відновні властивості, якщо для них характерні стану з більш високим ступенем окислення. наприклад,
Sn 2+ -2e - → Sn 4+ Cr 2+ -e - → Cr 3+ Cu + -e - → Cu 2+
Складні іони і молекули, що містять атоми в проміжній ступеня окислення
Складні або комплексні іони, а також молекули можуть проявляти відновні властивості, якщо що входять до їх складу атоми, знаходяться в проміжній ступеня окислення. наприклад,
Найважливіші відновники в техніці і лабораторній практиці
Вуглець, Оксид вуглецю (II), Залізо, Цинк, Алюміній, Олово, Сірчиста кислота, Сульфит і бісульфіт натрію, Сульфид натрію, Тіосульфат натрію, Водень, Електричний струм
Загальна схема Е + ne- → Е n-
Окислювачами є атоми р - елементів. Типові неметали - фтор, кисень, хлор. Найсильніші окислювачі - галогени і кисень. У головних підгрупах 7, 6, 5 і 4 груп зверху вниз окислювальна активність атомів знижується
позитивно заряджені іони металів
Все позитивно заряджені іони металів в різному ступені проявляють окисні властивості. З них найбільш сильні окислювачі - це іони в високого ступеня окислення, наприклад, Sn 4+. Fe 3+. Cu 2+. Іони благородних металів навіть в низького ступеня окислення є сильними окислювачами.
Складні іони і молекули, що містять атоми металу в стані вищого рівня окислення
Типовими окислювачами є речовини, до складу яких входять атоми металу в стані найвищого ступеня окислення. Наприклад, KMnO4, K2Cr2O7, K2CrO4, HAuCl4.
Складні іони і молекули, що містять атоми неметалла в стані позитивної ступеня окислення
В основному це кисень кислоти, а також відповідні їм оксиди і солі. Наприклад, SO3. H2 SO4. HClO, HClO3. NaOBr і інші.
окислювальна активність збільшується справа наліво, а посилення кислотних властивостей відбувається зліва направо.
Найважливіші відновники в техніці і лабораторній практиці
Кисень, Озон, Перманганат калію, Хромова і двухромову кислоти, Азотна кислота, Азотистая кислота, сірчана кислота (конц), Пероксид водню, Електричний струм, хлорноватої кислота, Діоксид марганцю, Діоксид свинцю, Вапно, Розчини гіпохлоритів калію і натрію, Гіпобромід калію , Гексаціаноферрат (III) калію.