Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР)называются такие реакции, в ходе которых происходит передача электронов от одних частиц (атомов, молекул, ионов) к другим, в результате чего степень окисления атомов, входящих в состав этих частиц, изменяется.
Большинство степеней окисления элементов представлены в параграфе «Основные классы неорганических соединений». Следует помнить, что с.о. простых веществ всегда равна нулю (например, в веществах Al, S, Cl2, O2, H2 и т.п.). Наинизшую (отрицательную) степень окисления, характерную для неметалла, можно найти, вычитая из номера группы восемь. Например для серы из VI группы наинизшая с.о. будет 6 – 8 = –2, для хлора из VII группы наинизшая с.о. будет 7 – 8 = –1.
ОВР – единый взаимосвязанный процесс. Окисление какого-либо элемента приводит к повышению с.о. у этого элемента (т.е. восстановителя), а восстановление – к её понижению у окислителя.
В ходе ОВР элемент-окислитель принимает электроны (акцептор электронов), а элемент-восстановитель отдает электроны (донор электронов).
Восстановление – процесс, в ходе которого окислитель приобретает электроны, а окисление – процесс, в ходе которого восстановитель отдает электроны.
Для нахождения стехиометрических коэффициентов реакции, при составлении уравнений ОВР применяются два метода:
a) Метод электронного баланса используется для составления ОВР, протекающих в газовой и (или) в твердой фазе.
b) Метод полуреакций (или метод электронно-ионного баланса) используется для составления уравнений ОВР, протекающих в водных растворах.
Студенту заочного отделения при выполнении заданий этого раздела рекомендуется использовать метод электронного баланса (т.е. простейший метод).
Составляя уравнения ОВР, надо исходить из того, что число электронов, отдаваемых элементом-восстановителем, должно быть равно числу электронов, принимаемых элементом-окислителем.
Алгоритм действий при составлении уравнений ОВР
по методу электронного баланса:
1. Определить, какие атомы (по заданной схеме реакции) изменили с.о. и составить схемы полуреакций окисления и восстановления.
2. Уравнять каждую полуреакцию, стремясь к тому, чтобы:
· Материально уравнялись левая и праваячасти полуреакций(т.е. число атомов для каждого элемента в левой и правой частях полуреакций).
· Было достигнуто равенство зарядов в левой и правой частях полуреакций.
3. Умножить каждую полуреакцию на коэффициенты:
· учитывающие стехиометриюреагирующих (или образующихся) веществ (т.е. численное отношение между атомами в полуреакциях должно соответствовать стехиометрии молекул).
· для достижения электронного баланса сумма электронов, отданных восстановителем должна быть равна сумме электронов, принятых окислителем.
4. Сложить обе полуреакции (при этом электроны должны сократиться), просуммировав левую с левой частью, а правую с правой.
5. Подставить полученные коэффициенты в схему ОВР и уравнять остальные элементы (т.е. элементы, участвующие в реакции, но не изменяющие свою с.о.).
6. Проверить результат (т.е. получилось ли уравнение ОВР). Проверка достигается простым подсчетом числа атомов каждого элемента слева и справа в итоговой записи результата.
Пример. Составить уравнение ОВР, идущей по схеме:
Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2S + H2O.
Если в задании даны все (как исходные вещества, так и продукты их взаимодействия), то составление уравнения ОВР сводится к нахождению и расстановке стехиометрических коэффициентов. Коэффициенты находят по методу электронного баланса.
1. Очевидно, что элемент Mg здесь будет восстановителем, а элемент S – окислителем:
Мg → Mg2+
S6+ → S2–
2. Магний отдает два электрона, в то время как сера принимает восемь электронов:
Мg – 2ē → Mg2+
S6+ + 8ē → S2–
3. Умножать на коэффициенты, учитывающие стехиометрию молекул, не нужно, так как в каждой молекуле находится по одному атому магния и по одному атому серы. Однако, необходимо умножить первое уравнение на 4, а второе – на 1, чтобы получить равенство электронов:
4·| Мg – 2ē → Mg2+
1·| S6+ + 8ē → S2–
4. Складывая полуреакции, получим:
4Mg + S6+ → 4Mg2+ + S2–.
5. Подставляя полученные коэффициенты в схему ОВР получаем:
4Mg + 5H2SO4 = 4MgSO4 + H2S + 4H2O.
Перед H2SO4 необходимо поставить 5, т.к. часть молекул H2SO4 не принимает участия в окислении, но необходима для связывания ионов магния. Для уравнивания атомов водорода и кислорода необходимо поставить коэффициент 4 перед H2O.
6. Проверяем коэффициенты, пересчитывая каждый тип атомов слева и справа от знака равенства.
В реакции может быть два окислителя или два восстановителя, или же получаться несколько продуктов с разными степенями окисления. В этом случае в соответствующей полуреакции необходимо записать два элемента. Например, для реакции
KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2
полуреакции будут выглядеть следующим образом:
1·| 2Mn7+ + 4ē → Mn6+ + Mn4+
1·| 2O2– + 4ē → 2O.