Тема – 5: Основные понятие и сущность окислительно – восстановительных реакций. Виды окислительно – восстановительных реакций. Закономерности их протекания.

Студент должен:

Знать:

·  Основные понятии и сущность окислительно – восстановительных реакций.

·  Правила составления окислительно – восстановительных реакций методом электронного баланса.

Уметь:

·  Классифицировать реакции с точки зрения степени окисления.

·  Определять и применять понятия – степень окисления, окислители и восстановители, процесс окисления и восстановления.

Для того чтобы Вы уяснили, что представляет собой степень окисления атома, сравним это понятие с известным Вам понятием «валентность». Известно, что валентность — это свойство атомов удерживать в соединении определенное число других атомов за счет образования общих электронных пар. Рассмотрим ряд соединений:

В молекуле азота три общие электронные пары. Следовательно, валентность каждого атома азота в этой молекуле равна III. В молекулах аммиака NH3 и фторида азота NF3 атомы азота также образуют по три ковалентные связи, поэтому и в этих соединениях валентность атомов азота равна III. Однако эти три вещества совершенно различны. Объяснить различия этих веществ можно, сравнив электроотрицательность атомов химических элементов, входящих в данные соединения (табл. 5 на с. 21).

В молекуле простого вещества азота N2 общие электронные пары находятся на равных расстояниях от ядер атомов. Поэтому молекула азота неполярна. В молекуле аммиака NH3 атом азота, обладающий большей электроотрицательностью, чем атомы водорода, смещает к себе общие электронные пары. В результате на атоме азота появляется частичный отрицательный заряд (5-), а на атомах водорода — частичный положительный заряд (5+). Поэтому связи в молекуле аммиака полярны. В молекуле фторида азота NF3 частичный отрицательный заряд появляется на более электроотрицательных по сравнению с атомом азота атомах фтора. Изобразим еще раз графические формулы молекул N2, NH3, NF3 с указанием частичных зарядов на атомах в данных соединениях:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Несмотря на то, что валентность атомов азота в этих соединениях одинакова, частичные заряды, образующиеся из-за смещения общих электронных пар к более электроотрицательному атому, различны. Таким образом, состояние атомов азота в этих соединениях различно.

Еще более изменяются нейтральные атомы, когда они превращаются в заряженные частицы — ионы. Это происходит при образовании ионных соединений, когда общие электронные пары практически полностью переходят на электронные оболочки более электроотрицательных атомов.

Чтобы характеризовать различные состояния атомов и ионов в соединениях, введено понятие степени окисления.

Заряд ионов в ионных соединениях и условный заряд на атомах в соединениях с полярной ковалентной связью называют степенью окисления.

Значения и знаки степеней окисления атомов элементов в ионных соединениях (к ним относятся, главным образом, соединения типичных металлов с галогенами) совпадают с зарядами ионов.

В соединениях с ковалентной полярной связью заряд на атомах именно условный, потому что его рассчитывают исходя из предположения, что электроны в молекулах не частично сместились, а полностью перешли на электронные оболочки более электроотрицательных атомов, как в ионных соединениях.

Как определяют степени окисления атомов в соединениях? Для этого необходимо знать: 1) какой атом в соединении более электроотрицателен;

2) сколько электронов было отдано каждым атомом для образования связей (в ковалентных полярных соединениях) или сколько электронов перешло от одного атома к другому (при образовании ионов).

В качестве примера рассмотрим серу и ее соединения с водородом и кислородом.

В простом веществе степень окисления атомов серы равна нулю, так как электроотрицательность всех атомов серы одинакова и общие электронные пары не смещены ни к одному из атомов.

Электроотрицательность атомов серы больше, чем атомов водорода, но меньше, чем атомов кислорода (табл. 5). Поэтому сразу можно отметить, что в молекуле сероводорода степень окисления атомов серы будет отрицательной, а в соединениях с кислородом — положительной.

Теперь определим значения степени окисления атомов в этих соединениях. В молекуле сероводорода H2S два атома водорода соединены с атомом серы. Поскольку элемент сера находится в главной подгруппе VI группы периодической системы, то на внешнем электронном слое атома серы 6 электронов. Притягивая 2 электрона атомов водорода, атом серы достраивает свой внешний электронный слой до устойчивого восьмиэлектронного. Следовательно, степень окисления атома серы в молекуле сероводорода равна -2. Поскольку молекула — нейтральная частица, то сумма степеней окисления всех атомов, образующих ее, равна нулю. Значит, каждый атом водорода будет иметьстепень окисления +1:

Обратите внимание на тот факт, что более электроотрицательные атомы в молекулах оттягивают на себя такое число электронов, которое делает их внешние электронные слои завершенными.

Теперь Вы без особого труда определите степени окисления атомов в оксидах серы:

Степень окисления указывает меру окисленности атома в соединении. Чем больше окислен атом, тем больше положительный заряд соответствующего ему иона или тем больше общих электронных пар оттянуто от этого атома в соединении. Наоборот, чем меньше окислен атом, тем меньше заряд соответствующего иона или тем меньше общих электронных пар оттянуто от данного атома в соединении.

При обозначении степени окисления атомов цифры и знаки ставят справавверху около символа химического элемента:

Обратите внимание на то, что, указывая степень окисления атомов в ковалентных полярных соединениях, знак заряда ставят перед числом: +1, +2, +3. Если же необходимо указать на то, что данное соединение ионное (а значит, степени окисления атомов элементов в этом случае совпадают с зарядами ионов), то число ставят на первое место, а знак заряда — на второе: 2+, 3+ и т. д. Число 1 при обозначении заряда иона опускают, а при обозначении степени окисления атома в ковалентном полярном соединении обязательно пишут.

В химических формулах бинарных соединений (т. е. соединений, состоящих из двух видов атомов) на первое место, как правило, ставят символ элемента, имеющего положительнуюстепень окисления:

Исключение составляют соединения углерода и азота с водородом:

На примере соединений серы Вы убедились, что атомы некоторых химических элементов могут иметь разные степени окисления. Высшая степень окисления атома, как правило, численно равна номеру группы периодической системы , в которой находится соответствующий элемент. Так, высшая степень окисления атома серы равна +6. Значение низшей степени окисления совпадает с числом электронов, необходимых атому для завершения внешнего электронного слоя; низшая степень окисления атома серы равна -2.

Поскольку металлы в химических реакциях проявляют восстановительные свойства, т. е. отдают свои электроны другим атомам, то степени окисления атомов металлов в соединениях всегда положительны. Значения степени окисления атомов металлов главных подгрупп первых трех групп периодической системы практически всегда совпадают с номером группы (с числом внешних электронов в их атомах).

Степень окисления атомов в простых веществах равна нулю:

Принято считать, что равна нулю также степень окисления атомов металлов

и неметаллов в простых веществах, состоящих из атомов

Степень окисления можно определить и в соединениях, состоящих из трех и более элементов. В качестве примера определим степени окисления атомов в молекуле серной кислоты H2S04.

Прежде всего необходимо узнать, какой атом в соединении наиболее электроотрицателен. (Определить это можно либо по табл. 5, либо по периодической системе.) В молекуле серной кислоты наиболее электроотрицателен атом кислорода. Элемент кислород находится в главной подгруппе VI группы периодической системы. Следовательно, атомам кислорода недостает двух электронов до завершения внешнего слоя. Эти электроны атомы кислорода будут оттягивать от атомов серы и водорода. Следовательно, степень окисления каждого атома кислорода равна -2. Степень окисления каждого атома водорода равна +1, так как общая электронная пара, связывающая атомы водорода и кислорода, смещена к атому кислорода. Зная, что молекула в целом нейтральна, нетрудно подсчитать степень окисления атома серы в молекуле серной кислоты. Обозначим степень окисления серы как х. Тогда

Решив уравнение,получаем, что х = +6. Таким образом, мы определили степени окисления атомов в молекуле серной кислоты:

Рассчитайте степени окисления атомов в соединении, формула которого НМп04.

В заключение следует отметить, что, зная степени окисления атомов, можно определять поведение веществ в химических реакциях. Так, атомы азота в азотной кислоте HN+ 03 имеют высшую степень окисления (+5), следовательно, они не могут отдавать электроны, а могут только принимать их. Поэтому азотная кислота в химических реакциях будет окислителем. В молекуле аммиака N Н3 атомы азота имеют низшую степень окисления (-3), поэтому аммиак способен проявлять лишь восстановительные свойства. Соединения, в которых атомы азота имеют промежуточные значения степени окисления (N2, N+40~2 и др.), в зависимости от условий могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Степень окисления — это важная характеристика состояния атома в соединении, показывающая степень его окисленности. Степень окисления обозначают числом и знаками + или -. Знак показывает вид заряда, а число — значение этого заряда. Валентность же — всегда положительное число, так как она равна числу химических связей, образованных атомом в соединении. Из этого видно, что валентность и степень окисления — разные понятия и отражают различные свойства атомов.

Степени окисления атомов в ионных соединениях равны зарядам ионов. Для определения степеней окисления атомов в ковалентных полярных соединениях нужно знать строение внешних электронных слоев атомов и уметь сравнивать их электроотрицательность.

Атомы одних элементов во всех соединениях проявляют постоянные степени окисления; атомы других элементов в разных веществах имеют разные степени окисления. По степени окисления атомов можно определять окислительно-восстановительные свойства веществ.

Вопросы для самостоятельной подготовки

1. Что называют степенью окисления атомов? Определите, какие из перечисленных атомов имеют постоянные, а какие — переменные степени окисления в соединениях: Na, S, N, F, О.

2. Определите степени окисления атомов в следующих соединениях: SiCl4, Mgl2, SF6, NaBr.

3. Определите степени окисления атомов в следующих соединениях: a) H2S03; б) Н3Р04; в) H2Si03.

4. Составьте формулы: а) оксидов перечисленных элементов: РЬ (+4), Na (+1), Ва (+2); б) сульфидов элементов: Sr (+2), Ag (+1), Hg (+2). В скобках указаны степени окисления атомов в данных соединениях.

5. Окислителями или восстановителями в химических реакциях могут быть следующие вещества: а) РН3 и Н3Р04; б) H2S и H2S04?