Окислювально-відновні реакції

Окислювально-відновними називаються реакції, що супроводжуються зміною ступеня окислювання атомів, що входять до складу реагуючих речовин. Під ступенем окислювання (п) розуміють той умовний заряд атома, що обчислюється виходячи з припущення, що молекула складається тільки з іонів. Іншими словами: ступінь окислювання – це той умовний заряд, що придбав би атом елемента, якщо припустити, що він прийняв або віддав те або інше число електронів.

Окислювання-відновлення це єдиний, взаємозалежний процес. Окислювання приводить до підвищення ступеня окислювання відновника, а відновлення – до її зниження в окислювача.

Підвищення або зниження ступеня окислювання атомів відображається в електронних рівняннях; окислювач приймає електрони, а відновник їх віддає. При цьому не має значення, чи переходять електрони від одного атома до іншого цілком і утворюються іонні зв’язки або електрони тільки відтягаються до більш електронегативного атома і виникає полярний зв’язок. Про здатності тієї або іншої речовини виявляти окислювальні, відновні або двоїсті (як окислювальні, так і відновні) властивості можна судити по ступеню окислювання атомів окислювача і відновника.

Атом того або іншого елемента у своєму вищому ступені окислювання не може його підвищити (віддати електрони) і виявляє тільки окислювальні властивості, а у своєму нижчому ступені окислювання не може його понизити (прийняти електрони) і виявляє тільки відновні властивості. Атом же елемента, що має проміжний ступінь окислювання, може виявляти як окислювальні, так і відновні властивості.

Наприклад:

При окислювально-відновних реакціях валентність атомів може і не змінюватися. Наприклад, в окислювально-відновній реакції H₂⁰ + Cl₂⁰ = 2НС1 валентність атомів водню і хлору до і після реакції дорівнює одиниці. Змінився їхній ступінь окислювання. Валентність визначає число зв’язків, утворених даним атомом, і тому знака не має. Ступінь же окислювання має знак плюс або мінус.

Приклад 1. Виходячи зі ступеня окислювання (n) азоту, сірки і марганцю в сполуках NH₃, HNO₂, НNО₃, H₂S, Н₂SО₃, Н₂SО₄, МnО₂, KMnO₄, визначте, які з них можуть бути тільки відновниками, тільки окислювачами і які виявляють як окислювальні, так і відновні властивості.

Рішення. Ступінь окислювання n(N) у зазначених сполуках відповідно дорівнює: –3 (нижча), +3 (проміжна), +5 (вища); n(S) відповідно дорівнює: –2 (нижча), +4 (проміжна), +6 (вища); n(Мn) відповідно дорівнює: +4 (проміжна), +7 (вища). Звідси: NH₃, H₂S – тільки відновники; НNО₃, Н₂SО₄, KMnO₄ – тільки окислювачі; HNO₂, Н₂SО₃, МnО₂ – окислювачі і відновники.

Приклад 2. Чи можуть відбуватися окислювально-відновні реакції між наступними речовинами: а) H₂S і HI; б) H₂S і H₂SO₃; в) H₂SO₃ і HClО₄?

Рішення, а) Ступінь окислювання в H₂S n(S) = –2; у HI n (I) = –1. Оскільки і сірка, і иод знаходяться у своєму нижчому ступені окислювання, то обидві узяті речовини виявляють тільки відновні властивості і взаємодіяти один з одним не можуть; б) у H₂S n(S) = –2 (нижча); у H₂SO₃ n(S) = +4 (проміжна). Отже, взаємодія цих речовин можлива, причому H₂SO₃ є окислювачем; в) у H₂SO₃ n(S) = +4 (проміжна); у HClО₄ n(CI) = +7 (вища). Узяті речовини можуть взаємодіяти H₂SO₃ у цьому випадку буде виявляти відновні властивості.

Приклад 3. Складіть рівняння окислювально-відновної реакції, що йде за схемою:

KMn⁺⁷O₄ + Н₃Р⁺³О₃ + H₂SO₄ → Mn⁺²SO₄ + Н₃Р⁺⁵O₄ + K₂SO₄ + Н₂О

Рішення. Якщо в умові задачі задані як вихідні речовини, так і продукти їхньої взаємодії, то написання рівняння реакції зводиться, як правило, до визначення і розміщення коефіцієнтів. Коефіцієнти визначають методом електронного балансу за допомогою електронних рівнянь. Обчислюємо, як змінюють свій ступінь окислювання відновник і окислювач, і відображаємо це в електронних рівняннях:

Загальне число електронів, відданих відновником, повинне дорівнювати числу електронів, що приєднує окислювач. Загальне найменше кратне для відданих і прийнятих електронів десять. Розділивши це число на 5, одержуємо коефіцієнт 2 для окислювача і продукту його відновлення, а при діленні 10 на 2 одержуємо коефіцієнт 5 для відновника і продукту його окислювання. Коефіцієнти перед речовинами, атоми яких не змінюють свій ступінь окислювання, знаходять підбором. Рівняння реакції буде мати вигляд:

2KMnО₄ + 5H₃PO₃ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5H₃PO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

Приклад 4. Складіть рівняння реакції взаємодії цинку з концентрованою сульфатною кислотою, враховуючи максимальне відновлення останньої.

Рішення. Цинк, як будь-який метал, виявляє тільки відновні властивості. В концентрованій сульфатній кислоті окисну функцію несе сірка (+6). Максимальне відновлення сірки означає, що вона здобуває мінімальний ступінь окислювання. Мінімальний ступінь окислювання сірки як p-елемента VI-A групи дорівнює –2. Цинк як метал II-В групи має постійний ступінь окислювання +2. Відображаємо сказане в електронних рівняннях;

відновник 4 Zno – 2e– = Zn2+ процес окислювання окислювач 1 S6+ + 8е– = S2− процес відновлення

відновник 4 Zn0 – 2e– = Zn2+ процес окислювання окислювач 1 S6+ + 8е– = S2− процес відновлення

Складаємо рівняння реакції:

4Zn + 5H₂SO₄ = 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O

Перед H₂SO₄ стоїть коефіцієнт 5, а не 1, оскільки чотири молекули H₂SO₄ йдуть на зв’язування чотирьох іонів Zn^2+.

 

Контрольні питання

221. Виходячи зі ступеня окислювання хлору в сполуках HCl, HClО₃, HCl₄, визначте, яке з них є тільки окислювачем, тільки відновником і яке може виявляти як окислювальні, так і відновні властивості. Чому? На основі електронних рівнянь розставте коефіцієнти в рівнянні реакції, що йде за схемою:

KBr + KBrО₃ + H₂SO₄ → Br₂ + K₂SO₄ + H₂O.

222.Реакції виражаються схемами:

P + HIO₃ + H₂O → H₃PO₄ + HI;

H₂S + Cl₂ + H₂O → H₂SO₄ + HCl.

Складіть електронні рівняння. Розставте коефіцієнти в рівняннях реакцій. Для кожної реакції вкажіть, яка речовина є окислювачем, яка – відновником; яка речовина окислюється, яка – відновлюється.

223. Складіть електронні рівняння і вкажіть, який процес – окислювання або відновлення відбувається при наступних перетвореннях:

As^–3→ As⁺⁵; N⁺³ → N^–3; S^–2 → S⁰.

На основі електронних рівнянь розставте коефіцієнти в рівнянні реакції, що йде за схемою: Na₂SO₃ + KMnО₄ + H₂O → Na₂SO₄ + MnО₂ + KOH.

224. Виходячи зі ступеня окислювання фосфору в сполуках PH₃, H₃PO₄, H₃PO₃ визначте, яке з них є тільки окислювачем, тільки відновником і яке може виявляти як окислювальні, так і відновні властивості. Чому? На основі електронних рівнянь розставте коефіцієнти в рівнянні реакції, що йде за схемою:

PbS + HNO₃ → S + Pb(NO₃)₂ + NO + H₂O.

225. Див. умову задачі 222.

P + HNO₃ + H₂O → H₃PO₄ + NO;

KMnO₄ + Na₂SO₃ + KOH → K₂MnO₄ + Na₂SO₄ + H₂O.

226. Складіть електронні рівняння і вкажіть, який процес – окислювання або відновлення відбувається при наступних перетвореннях:

Mn⁺⁶ → Mn⁺²; Cl⁺⁵ → Cl ^–; N^–3 → N⁺⁵.

На основі електронних рівнянь розставте коефіцієнти в рівнянні реакції, що йде за схемою: Cu₂O + HNO₃ → NO + H₂O.

227. Див. умову задачі 222.

Cu₂O + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O;

HNO₃ + Ca → NH₄NO₃ + Ca(NO₃)₂ + H₂O;

K₂S + KMnO₄ + H₂SO₄ → S + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O.

228. Виходячи зі ступеня окислювання хрому, йоду і сірки в сполуках K₂Cr₂O₇, KI і H₂SO₃, визначте, яке з них є тільки окислювачем, тільки відновником і яке може виявляти як окислювальні, так і відновні властивості. Чому? На основі електронних рівнянь розставте коефіцієнти в рівнянні реакції, що йде за схемою:

NaCrО₂ + PbО₂ + NaOH → Na₂CrО₄ + Na₂PbО₂ + H₂O.

229. Див. умову задачі 222.

H₂S + Cl₂ + H₂O → H₂SO₄ + HCl;

K₂Cr₂O₇ + H₂S + H₂SO₄ → S + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

230. Див. умову задачі 222.

KClO₃ + Na₂SO₃ → KCl + Na₂SO₄;

KMnO₄ + HBr → Br₂ + KBr + MnBr₂ + H₂O.

231. Див. умову задачі 222.

P + HClO₃ + H₂O → H₃PO₄ + HCl;

H₃AsO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ → H₃AsO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O.

232. Див. умову задачі 222.

NaCrO₂ + Br₂ + NaOH → Na₂CrO₄ + NaBr + H₂O;

FeS + HNO₃ → Fe(NO₃)₂ + S + NO + H₂O.

233. Див. умову задачі 222.

HNO₃ + Zn → N₂O + Zn(NO₃)₂ + H₂O;

FeSO₄ + KClO₃ + H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + KCl + H₂O.

234. Див. умову задачі 222.

K₂Cr₂O₇ + HCl → Cl₂ + CrCl₃ + KCl + H₂O;

Au + HNO₃ + HCl → AuCl₃ + NO + H₂O.

235. Чи можуть відбуватися окислювально-відновні реакції між речовинами:

а) NH₃ і KMnО₄; б) HNO₂ і HI; в) HCl і H₂Se? Чому? На основі електронних рівнянь розставте коефіцієнти в рівнянні реакції, що йде за схемою:

KMnО₄ + KNO₂ + H₂SO₄ → MnSO₄ + KNO₃ + K₂SO₄ + H₂O.

236. Див. умову задачі 222.

HCl + CrO₃ → Cl₂ + CrCl₃ + H₂O;

Cd + KMnO₄ + H₂SO₄ → CdSO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O.

237. Див. умову задачі 222.

Cr₂O₃ + KClO₃ + KOH → K₂CrO₄ + KCl + H₂O;

MnSO₄ + PbO₂ + HNO₃ → HMnO₄ + Pb(NO₃)₂ + PbSO₄ + H₂O.

238. Див. умову задачі 222.

H₂SO₃ + HClO₃ → H₂SO₄ + HCl;

FeSO₄ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

239. Див. умову задачі 222.

I₂ + Cl₂ + H₂O → HIO₃ + HCl;

K₂Cr₂O₇ + H₃PO₃ + H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + H₃PO₄ + K₂SO₄ + H₂O.

240. Чи можуть відбуватися окислювально-відновні реакції між речовинами:

а) PH₃ і HBr; б) K₂Cr₂O₇ і H₃PO₃; в) HNO₃ і H₂S? Чому? На основі електронних рівнянь розставте коефіцієнти в рівнянні реакції, що йде за схемою:

AsН₃ + HNO₃ → H₃AsО₄ + NO₂ + H₂O.