Окислительно-восстановительный процесс  (реакция) (ОВР) – процесс, сопровождающийся изменением степеней окисления участвующих в нем частиц в результате их окисления или восстановления.

С точки зрения изменения степени окисления химические реакции могут протекать двояко: либо степень окисления остается постоянной (обменные реакции), либо меняет свою величину (ОВР). Например:

+1 -1 +1 -2 +1  +1 -1 +1 -2

HCl +NaOH ® NaCl + H₂O -

без изменения степени окисления;

     0   0     +3 -1

2Al + 3Br₂ ® 2AlBr₃ –

Al и Br поменяли в результате реакции свои степени окисления

Степень окисления (с.о.) атома в соединении – это его условный заряд, возникающий в результате смещения общих электронных пар, если предположить, что все связи ионные и общие электронные пары полностью принадлежат более электроотрицательному атому. С.о. обозначается над атомом цифрой с соответствующим знаком. Эта величина может быть положительной, отрицательной, нулевой, дробной.

Степень окисления – еще одна характеристика атома наряду с электроотрицательностью, валентностью, сродством к электрону и т. п.

При определении степеней окисления следует помнить :

1) алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекуле равна нулю, в сложном ионе – заряду этого иона;

2) степень окисления элементов в простых веществах равна 0;

3) степень окисления водорода в соединениях с неметаллами равна +1, в соединениях с металлами (гидридах) - –1, например Са⁺²Н₂^-;

4) степень окисления кислорода во всех соединениях, кроме соединений со фтором, отрицательна и равна -2 (но в соединениях, содержащих пероксидную группу -О-О- степень окисления кислорода равна -1);

5) металлы в соединениях проявляют только положительные степени окисления; степени окисления металлов 1, 2 и 3 групп в соединениях равны номеру группы (исключения: Сu (+2 и +1), Au (+3 и +1), Hg (+2 и +1)); металлы побочных подгрупп имеют разнообразные положительные степени окисления, но не больше +8;

6) максимальная степень окисления обычно равна № группы, в которой расположен элемент, минимальная - № группы минус 8 (исключениями являются некоторые элементы 2 периода (F (-1), О (-2, -1, +2), N (-3, от +1 до +5), и ряд d-элементов (Fe, Cu, Ni, Au и т.д.);

7) элементы главных подгрупп четных групп обычно проявляют четные степени окисления, нечетных групп – нечетные степени окисления;

8) степень окисления и валентность элемента не всегда совпадают (О₂ - валентность II, с.о. 0, Hg₂Cl₂ - валентность ртути II, с.о. +1, HNO₃ - валентность азота IV, с.о. +5, C₂Н₂ - валентность углерода IV, с.о. -1 и т.п.).

Электронное уравнение – сокращенное уравнение, отражающее отдельно  процесс окисления или восстановления, например:

                          Cа° - 2ē ® Са²⁺ - уравнение окисления

восстановитель

                          N⁺⁵ + 8ē ® N^-3    - уравнение восстановления

окислитель

Окисление – процесс повышения степени окисления реагирующей частицы в результате отдачи ею электронов, например: 

C º – 4ē ® C⁺⁴; Fe ⁺² – 1ē ® Fe⁺³; N ^{- 3} - 8 ē ® N⁺⁵ и т. п.

Частица, отдающая электроны, называется восстановителем  (в данных примерах подчеркнут). Типичные восстановители – это металлы (Zn, Fe, Al и т. д.) водород, элементы в низших степенях окисления.

Восстановление – процесс понижения степени окисления реагирующей частицы в результате присоединения к ней электронов, например: 

Cl ⁺⁵ + 6 ē ® Cl^-; Fe ⁺² + 2ē ® Fe^º и т. д.

Частица, принимающая электроны, называется окислителем (в данных примерах подчеркнут). Типичные окислители – это галогены, бихромат калия, хлорная вода, азотная кислота и ее соли, бертолетова соль, царская водка, перманганат калия и другие вещества, в состав которых входят атомы в высших степенях окисления.

1.2. Образцы решения задач

Задача 1 . Пользуясь методом электронного баланса, подберите коэффициенты в уравнении реакции:

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

Укажите окислитель и восстановитель.

Решение : Определим степени окисления всех элементов в соединениях.

_{+2 +6 –2    +1 +6 -2   +1 +6 –2       +3 +6 -2       +3 +6 -2     +1 +6 -2      +1 -2}

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

Степени окисления меняют железо и хром.

Запишем уравнения процессов окисления и восстановления:

       Окисление:         Fe⁺² – 1ē® Fe⁺³

       Восстановление: 2Сr⁺⁶ + 6ē  ® 2Сr⁺³

Окислителем является Сr ⁺⁶ в дихромате калия K₂Cr₂O₇,

восстановителем – Fe ⁺² в сульфате железа (II) FeSO₄.

Число отданных электронов должно быть равно числу принятых. 

Исходя из этого, составим схему электронного баланса и определим основные коэффициенты:

          2Fe⁺² – 2·1ē ® 2Fe⁺³      (основные

              2Сr⁺⁶ + 6ē ® 2Сr⁺³                               коэффициенты)

Подберем остальные коэффициенты в уравнении реакции:

6FeSO₄ + K₂Cr₂O₇ + 7H₂SO₄ = 3Fe₂(SO₄)₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 7H₂O

Задача 2 . Какие свойства (окислительные, восстановительные или двойственные) может проявлять в окислительно-восстановительных реакциях сера в следующих соединениях:

а) серная кислота Н₂SO₄, б) сероводород H₂S, в) сернистый газ SO₂.

Решение: а) Степень окисления серы в молекуле серной кислоты равна +6. Условно можно так записать электронно-графическую формулу серы в данной степени окисления:

                                         S⁺⁶ …

Все валентные электроны серы участвуют в образовании связи с соседними атомами кислорода, причем электронная плотность смещена в сторону последнего. В данной степени окисления сера может только принимать электроны, заполняя свой пустой внешний уровень, т.е. проявляет только свойства окислителя. Действительно, сера находится в максимальной степени окисления (которая, как правило, равна номеру группы), а элементы в высших степенях окисления могут проявлять только окислительные свойства.

б) Степень окисления серы в сероводороде равна –2.

Условная электронно-графическая формула:

                                       S^–2 …

Внешний уровень заполнен полностью, поэтому сера в степени окисления –2 не может больше принимать электроны, т.е. проявлять окислительные свойства. Следовательно, она может быть только восстановителем, как и все элементы, находящиеся в низшей степени окисления (которая, как правило, равна № группы минус 8).                                                     

в) Степень окисления серы в сернистом газе равна +4. Она является промежуточной между высшей (+6) и низшей (−2), следовательно, сера в данной степени окисления может как принимать, так и отдавать электроны, т.е. может проявлять свойства и окислителя, и восстановителя в зависимости от партнера по химической реакции.                

Задание 10 по теме «Электрохимические процессы»

Методические указания к выполнению индивидуального задания

1.   Проставьте степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах реакции.

2.   Укажите элементы, меняющие степень окисления в ходе реакции.

3.   Составьте электронные уравнения реакций окисления и восстановления, укажите окислитель и восстановитель.

4.   Проведите баланс электронов и найдите основные коэффициенты.

5.   Проставьте найденные коэффициенты в уравнении реакции перед окислителем, восстановителем и продуктами их восстановления и окисления.

6.   Исходя из баланса атомов, проставьте недостающие коэффициенты в левой и правой частях уравнения.

7. Докажите с точки зрения строения атома, какие свойства (окислительные, восстановительные или двойственные) может проявлять в реакциях указанный элемент в указанном веществе.

См. задания в таблице З10.

Таблица З10 - Задания

Продолжение табл . З10

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ