Глава 8. Окислительно-восстановительные реакции

Общие понятия об окислительно-

Восстановительных реакциях

Химические реакции классифицируются по различным признакам:

1) числу и составу исходных и образующихся веществ (реакции разложения, соединения, замещения, обмена);

2) тепловому эффекту (экзо - и эндотермические реак­ции);

3) изменению окислительного числа (О.Ч.) атомов, вхо­дящих в состав реагирующих веществ (окислительно-восстановительные реакции).

Большое значение в химической теории и практике име­ют окислительно-восстановительные реакции. Они чрезвы­чайно распространены в природе (дыхание, усвоение двуокиси углерода растениями, гниение, коррозия металлов и др.) и иг­рают важную роль в практической деятельности человека (из­влечение металлов и неметаллов из руд, использование хими­ческих источников тока и борьба с коррозией, производство химических и других продуктов и т.д.).

Первоначально со времени Лавуазье окисление рассмат­ривалось как реакция присоединения кислорода к какому-либо веществу. Противоположный процесс - отнятие кислорода от вещества - называли реакцией восстановления. Развитие элек­тронной теории строения атомов и химической связи дало возможность широко обобщить представления об окислитель­но-восстановительных реакциях.

С современной точки зрения окислительно-восстано­вительными реакциями называются такие, в которых происхо­дит переход электронов от одних реагирующих атомов к дру­гим, что сопровождается соответствующим изменением степе­ни их окисления.

Под степенью окисления элемента в соединении пони­мают условный заряд иона, вычисленный из предположения, что электронные пары полностью смещены к наиболее элек­троотрицательному элементу. Числовое выражение степени окисления называется окислительным числом (О.Ч.).

Окислительные числа атомов могут иметь положитель­ное значение (определяемое числом смещенных от атома дан­ного элемента электронных пар), отрицательное (определяе­мое числом притянутых электронных пар) и нулевое (смеще­ние электронных пар не происходит).

Окислительное число может быть определено для каждо­го атома в любом веществе, для чего нужно руководствоваться следующими правилами:

1. В любых элементарных веществах О.Ч. равно нулю.

2. О.Ч. элементарных ионов в веществах равны электрическим зарядам этих ионов.

3. Алгебраическая сумма окислительных чисел всех ато­мов любого соединения равна нулю. Например, в соединениях Na₂S, Na₂SO₃ и Na₂SO₄ О.Ч. серы соответственно равно -2, +4, +6.

4. Щелочные металлы в соединении всегда имеют постоянное О.Ч. (+1), щелочно-земельные - +2. Окислительное число кислорода в соединении равно -2 (за исключением пероксидов, где О.Ч. кислорода равно -1, фторида кислорода OF₂, где

ОЧ равно +2). Водород имеет О.Ч. равное +1, кроме солеобразующих гидридов, в которых у водорода О.Ч. равно -1, напри­мер, в NaH.

Формально можно считать, что окислительное число рав­но валентности иона, если принять, что все связи в молекуле носят ионный характер. Однако следует помнить, что ОЧ и валентность понятия не тождественные. Так, в молекулах Н₂ и Сl₂ ОЧ равно 0, а ковалентность равна 1 (один непарный электрон участвует в образовании связи - одной ковалентной па­ры). В углеводородах О.Ч. углерода равно 0, например в СН₂О,

поскольку нет смещения электронных пар. Однако ковалентность равна 4, так как в образовании связей участвуют 4 электронных пары.

Процесс отдачи атомом электронов (или оттягивание от него электронных пар более электроотрицательным элемен­том), сопровождающийся повышением его О.Ч., называется окислением. Процесс присоединения атомом электронов (или притягивания электронных пар) называется восстановлением. У восстанавливающего элемента О.Ч. понижается.

Вещество, в состав которого входит восстанавливающий элемент, называется окислителем. Принимая электроны от другого элемента, восстанавливающийся элемент при этом окисляет его. Вещество, содержащее окисляющий элемент, называется восстановителем. Реакция окисления неотделима от реакции восстановления и каждая из них составляет одну из двух неразрывно связанных сторон единого процесса окисле­ния - восстановления.

Так, например, в результате взаимодействия алюминия с бромом происходит окисление алюминия

2 Аl⁰ + 3 Вr₂⁰ = 2 Аl⁺³Вr₃^{- 1} при этом алюминий отдает электроны и является восстанови­телем, бром присоединяет электроны и является окислителем.

2 | Аl - 3 = Аl³⁺ - процесс окисления

3 | Вr₂ + 2 = 2 Вr^- - процесс восстановления.