Окислительно-восстановительные реакции
Окисли́тельно-восстанови́тельные реа́кции (ОВР) — это встречно-параллельные химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, реализующихся путём перераспределения электронов между атомом-окислителем и атомом-восстановителем.
Описание
В процессе окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдаёт электроны, то есть окисляется; окислитель присоединяет электроны, то есть восстанавливается. Причём любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений — окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.
Окисление
Окисление - процесс отдачи электронов, с увеличением степени окисления.
При окисле́нии вещества в результате отдачи электронов увеличивается его степень окисления. Атомы окисляемого вещества называются донорами электронов, а атомы окислителя — акцепторами электронов.
В некоторых случаях при окислении молекула исходного вещества может стать нестабильной и распасться на более стабильные и более мелкие составные части (см. Свободные радикалы). При этом некоторые из атомов получившихся молекул имеют более высокую степень окисления, чем те же атомы в исходной молекуле.
Окислитель, принимая электроны, приобретает восстановительные свойства, превращаясь в сопряжённый восстановитель:
окислитель + e− ↔ сопряжённый восстановитель.
Восстановление
Восстановле́нием называется процесс присоединения электронов атомом вещества, при этом его степень окисления понижается.
При восстановлении атомы или ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение степени окисления элемента. Примеры: восстановление оксидов металлов до свободных металлов при помощи водорода, углерода, других веществ; восстановление органических кислот в альдегиды и спирты; гидрогенизация жиров и др.
Восстановитель, отдавая электроны, приобретает окислительные свойства, превращаясь в сопряжённый окислитель:
восстановитель — e− ↔ сопряжённый окислитель.
Несвязанный, свободный электрон является сильнейшим восстановителем.
Виды окислительно-восстановительных реакций
Межмолекулярные — реакции, в которых окисляющиеся и восстанавливающиеся атомы находятся в молекулах разных веществ, например:
Н2S + Cl2 → S + 2HCl
Внутримолекулярные — реакции, в которых окисляющиеся и восстанавливающиеся атомы находятся в молекулах одного и того же вещества, например:
2H2O → 2H2 + O2
Диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление) — реакции, в которых один и тот же элемент выступает и как окислитель, и как восстановитель, например:
Cl2 + H2O → HClO + HCl
Репропорционирование (конпропорционирование) — реакции, в которых из двух различных степеней окисления одного и того же элемента получается одна степень окисления, например:
NH4NO3 → N2O + 2H2O
Важнейшие восстановители и окислители
Восстановители |
Окислители |
Металлы, водород, уголь. Окись углерода (II) (CO). Сероводород (H2S); оксид серы (IV) (SO2); сернистая кислота H2SO3 и ее соли. Галогеноводородные кислоты и их соли. Катионы металлов в низших степенях окисления: SnCl2, FeCl2, MnSO4, Cr2(SO4)3. Азотистая кислота HNO2; аммиак NH3; гидразин NH2NH2; оксид азота(II) (NO). Катод при электролизе. |
Галогены. Перманганат калия(KMnO4); манганат калия (K2MnO4); оксид марганца (IV) (MnO2). Дихромат калия (K2Cr2O7); хромат калия (K2CrO4). Азотная кислота (HNO3). Серная кислота (H2SO4) конц. Оксид меди(II) (CuO); оксид свинца(IV) (PbO2); оксид серебра (Ag2O); пероксид водорода (H2O2). Хлорид железа(III) (FeCl3). Бертоллетова соль (KClO3). Анод при электролизе. |
Окислительно-восстановительная двойственность
Окислительно-восстановительная двойственность - способность одного и того же вещества, в зависимости от реагентов и от условий проведения реакции, выступать как в роли окислителя, так и в роли восстановителя. В таких веществах содержится элемент в промежуточной степени окисления.
Окислительно-восстановительная двойственность характерна для простых веществ - неметаллов. Например, фосфор по отношению к металлам выступает в роли окислителя. В то же время фосфор выступает в роли восстановителя по отношению к фтору, кислороду или хлору.
Азотная кислота за счет азота в высшей степени окисления +5 может выступать только в роли окислителя. В аммиаке азот в низшей степени окисления -3, и, поэтому, за счет азота, аммиак может выступать только в роли восстановителя. А в азотистой кислоте HNO3 азот находится в промежуточной степени окисления =3. Азотистая кислота окисляется кислородом, и в этом случае азот - восстановитель. Но в реакции с сильным восстановителем, например, с иодоводородной кислотой, азотистая кислота - окислитель.
Степень окисления соответствует заряду, который возник бы на аотме даннго элемента в химическом соединении, если предположить, что все электронные пары, за счет которых этот атом связан с другими атомами, полностью сместились к атомам элементов с большей электроотрицательностью.
Степень окисления элемента в простом веществе равна нулю. В сложном соединении алгебраическая сумма степеней окисления каждого из атомов равна нулю, в случае сложного иона - заряду иона.
Постоянные степени окисления в сложных веществах имеют следующие элементы:
+1 все элементы IA группы (Li, Na, K, Rb, Cs), почти всегда Ag
+2 все элементы II группы (кроме ртути)
+3 алюминий
-1 фтор
-2 кислород (за исключением: фторидов кислорода OF2 и O2F2, в которых его степень окисления положительна; пероксидов, в которых она равна -1 (Н2О2); супероксидов КО2 и т.п.).
Водород в бинарных Бинарные соединения образованы двумя элементами. соединениях с неметаллами имеет степень окисления +1, а в соединениях с металлами -1.
Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) - реакции, в ходе которых изменяются степени окисления элементов вследствие перехода электронов от восстановителя к окислителю.
Окислитель - вещество, молекулы или ионы которого принимают электроны.
Восстановитель - вещество, молекулы или ионы которого отдают электроны.
Окислителем и восстановителем могут также называть элементы, атомы которых отдают или принимают электроны. Если элемент является окислителем - его степень окисления понижается; если элемент является восстановителем - его степень окисления повышается.
Окисление - процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом, степень окисления элемента повышается.
Восстановление - процесс приема электронов атомом, молекулой или ионом, степень окисления элемента понижается.
Классификация окислительно-восстановительных реакций.
Межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции - реакции, в которых окислителем и восстановителем являются разные вещества.
Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции - реакции, в которых элемент-окислитель и элемент-восстановитель находятся в одном веществе, но окислитель и восстановитель разные элементы.
Диспропорционирование - реакция, в которой окислителем и восстановителем является один и тот же элемент, в одной и той же степени окисления.
Конпропорционирование - реакция, в которой окислителем и восстановителем является один и то же элемент в разных степенях окисления.
Окислители и восстановители
Среди простых веществ окислительные свойства характерны для типичных неметаллов (F2, Cl2, Br2, I2, O2, O3,). Галогены, выступая в роли окислителей, приобретают степень окисления -1, причем от фтора к иоду окислительные свойства ослабевают. Кислород, восстанавливаясь, приобретает степень окисления -2 (Н2О или ОН?).
Сложные вещества, используемые в качестве окислителей, очень часто содержат элементы в высшей степени окисления.
Среди кислородсодержащих кислот и их солей к наиболее важным окислителям относятся концентрированная серная кислота, азотная кислота и нитраты, перманганаты, хроматы и дихроматы, кислородсодержащие кислоты галогенов и их соли.
Среди простых веществ к типичным восстановителям принадлежат активные металлы (щелочные и щелочноземельные, алюминий, цинк, железо и др.), а также некоторые неметаллы, такие как водород, углерод (в виде угля или кокса), фосфор, кремний. При этом в кислой среде металлы, которые образуют амфотерные гидроксиды (например, цинк, алюминий, олово), входят в состав анионов и гидроксокомплексов. Углерод чаще всего окисляется до монооксида или диоксида; фосфор, при действии сильных окислителей, окисляется до ортофосфорной кислоты.
В бескислородных кислотах и их солях носителями восстановительной функции являются анионы, которые, окисляясь, обычно образуют простые вещества. В ряду галогенид-ионов восстановительные свойства усиливаются от Cl? к I?.
Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов, содержащие ион Н?, проявляют восстановительные свойства, легко окисляясь до свободного водорода.
Металлы в промежуточной степени окисления, взаимодействуя с окислителями, способны повышать свою степень окисления.