Окисно-відновні реакції – це реакції, при яких змінюється валентність елементів речовин, що реагують.
Під час такої реакції відбувається перехід електронів від одного елементу до іншого.
Процес віддачі електронів атомом, йоном, молекулою називається окисненням, а процес приєднання електронів – відновленням. Ці процеси відбуваються одночасно.
Атоми, молекули або йони, що віддають електрони, називають відновниками.
Атоми, молекули, або йони, які приймають електрони є окисниками (окисник - “грабіжник”, він забирає електрони).
Таким чином, окисник, забираючи електрони, відновлюється, а відновник, що віддає електрони – окиснюється.
При цьому кількість електронів, що їх віддає відновник дорівнює кількості електронів, що приймає окисник.
Процес окиснення супроводжується підвищенням ступеня окиснення відповідних елементів, а відновлення – навпаки, пониженням ступеня окиснення елементів, які входять до складу окисника.
Окисниками і відновниками можуть бути як прості, так і складні речовини та йони.
Прояв окисно-відновних властивостей різними елементами залежить від багатьох чинників : місце елемента в Періодичній системі; ступінь окиснення у сполуці; характер властивостей, що їх проявляють інші учасники реакції, кислотність середовища, тощо.
Метали у вільному стані можуть бути лише відновниками, а у своїх сполуках проявляти лише позитивні ступені окиснення. Неметали (за винятком фтору) у вільному стані можуть бути як окисниками, так і відновниками.
Сполуки, до складу яких входять елементи у своєму максимальному ступені окиснення, можуть тільки відновлюватися, виступаючи при цьому окисниками, наприклад: HNO3, K2CrO4, KMnO4, KClO4, тощо.
Сполуки, що містять елементи в їх мінімальних ступенях окиснення, виступають в окисно-відновних процесах лише як відновники, наприклад: H2S, NH3 , PH3 та інші.
Речовини, які містять елементи у проміжних ступенях окиснення, здатні проявляти як окисні, так і відновні властивості. Це залежить від умов реакції та характеру другого елемента, що реагує.
Окисно-відновний дуалізм атомів на проміжних ступенях окиснення деяких елементів дає змогу їм вступати в реакції самоокиснення-самовідновлення, коли одна частина атомів проявляє властивості окисника і відновлюється, а друга – відновника і окиснюється. Наприклад, кисень в пероксиді гідрогену (пероксид водню) має проміжний ступінь окиснення – мінус одиниця, і може як віддавати, так і приєднувати електрони:
2H2O2 = 2 H2O + O2
H2O2 + 2 + 2H+ = 2 H2O
H2O2 = 2 + O2 + 2H+
Саме цим процесом пояснюється те, що при зберіганні зменшується концентрація розчинів пероксиду водню.
Залежно від властивостей речовин усі окисно-відновні реакції поділяють на три групи:
1. Реакції міжатомного або міжмолекулярного окиснення – відновлення.Це реакції, в яких окисник і відновник містяться у різних атомних або молекулярних частинах, наприклад:
2Mg + O2 = 2MgO
2NaBr + Cl2 = 2NaCl + Br2
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
2. Реакції внутрішньомолекулярного окиснення – відновлення.Це реакції, в яких окисник і відновник входять до складу однієї складної речовини і є різними частками цієї речовини, наприклад, один із варіантів розкладу нітрату амонію при прожарюванні:
NH4NO3= N2O + 2H2O
Азот з NH4+ віддає чотири електрони ( N3- - 4 = N+), а азот нітрат-іону (NO3-) приймає електрони (N5+ + 4 = N+).
Або, в лабораторії отримують кисень при нагріванні перманганату калію:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2
Марганець у складі перманганату знаходиться у вищому ступеню окиснення (7+) і приймає електрони, стає (6+). Електрони марганцю віддає кисень і з 2- стає в 0 (нульовому) ступеню окиснення.
3. Реакції диспропорціонування (самоокиснення-самовідновлення):
Cl2 + KOH = KCl + KClO + H2O
Cl2 діспропорціонує на Cl- , де хлор має ступінь окиснення 1- та на ClO--іон , в якому хлор в ступеню окиснення 1+.
При складанні рівнянь окисно-відновних реакцій потрібно чітко розуміти ,які речовини можуть бути окисниками, а які відновниками і як при окисно-відновній реакції зміняться ступені окиснення елементів, що входять до складу реагуючих речовин.
Коротко:
Окисниками можуть бути:
1) елементарні речовини, атоми яких приєднують електрони, тобто, типові неметали – F2, Cl2, Br2, J2, O2, O3;
2) позитивно заряджені іони металів з високими ступенями окиснення – Sn4+, Fe3+, Ce4+,Сu2+, Hg2+, тощо, а також іони Гідрогену H+. Залежно від умов проведення реакції ці іони можуть відновлюватись як до іонів з більш низьким ступенем окиснення, так і до вільного стану;
3)кисневмісні сполуки, що містять атоми металів або неметалів з високими ступенями окиснення: HNO3, H2SO4, H2SeO4, KMnO4, K2Cr2O7, KClO3, HClO4, HBrO4 тощо.
Як відновники можуть бути:
1) елементарні речовини, атоми яких здатні легко віддавати електрони: метали, водень, вуглець та ін.
2) негативно заряджені атоми неметалів: H2S, H2Se, H2Te, HI, HBr та їх солі, а також AsH3, PH3, NH3, NaH,CaH2 та інші.
3) деякі іони металів з низькими ступенями окиснення: Sn2+, Fe2+, Hg22+, Cr2+ та ін.
Якщо елемент, який входить до складу хімічної сполуки або простої речовини, має проміжний ступінь окиснення, то він може і приєднувати електрони (бути окисником), і віддавати електрони (бути відновником). До таких речовин належать: I2, S, H2O2, HNO2, H2SO3 та солі цих кислот, H2S2 (H-S-S-H), та дисульфіди металів, MnO2 та ін.
Складання рівнянь окисно-відновних реакцій є досить складним процесом, особливо розставляння коефіцієнтів. Рекомендується дотримуватися такої послідовності:
1) скласти схему реакції та визначити елементи, які змінюють ступені окиснення;
2) записати рівняння електронного балансу ;
3) підставити у схему рівняння коефіцієнти, які знайдено за рівнянням електронного балансу;
4) повністю розставити коефіцієнти у рівнянні реакції.
Наприклад:
Cr(NO3)3 + Cl2 + KOH
Оскільки хлор у вигляді простої речовини (Cl2) є сильним окисником, він легко приєднує електрони і перетворюється на хлорид-іони (Cl-). Іони хрому (Cr3+) у лужному середовищі можуть окиснюватись до хромат-іонів (CrO42-). Отже, схему реакції можна записати так:
Cr(NO3)3 + Cl2 + KOH K2CrO4 + KCl + KNO3 + H2O
Записуємо рівняння електронного балансу з урахуванням тих форм іонів, що існують в такому середовищі:
Cr3+ – 3 + 8 OH- = CrO42- + 4H2O | 2 |
Cl2 + 2 = 2Cl- | 3 |
Підставляємо коефіцієнти, які знайдено за рівнянням електронного балансу:
2 Cr(NO3)3 + 3 Cl2 + KOH 3K2CrO4 + 6 KCl + 6 KNO3 + 8 H2O
Після чого, враховуючи, що іони К+ з’єднуються не тільки з хромат-іонами, але й з хлорид- та нітрат-іонами, розставляємо коефіцієнти в рівнянні:
2 Cr(NO3)3 + 3 Cl2 + 16 KOH 2 K2CrO4 + 6 KCl + 6 KNO3 +8 H2O
Приклад 2.
KMnO4 + Na2SO3 + H2SO4
Перманганат-іон (MnO4-) в кислому середовищі є сильним окисником і відновлюється до марганцю двовалентного (Mn2+), сульфіт-іон (SO32-) віддає два електрони і окиснюється до сульфат-іону (SO42-). Отже:
KMnO4 + Na2SO3 + H2SO4 MnSO4 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O
MnO4- + 5 + 8 H+ = Mn2+ + 4 H2O | 2 |
SO32- - 2 + H2O = SO42- + 2 H+ | 5 |
Доречи, з цих схем зрозуміло, що реакція має йти в кислому середовищі: з урахуванням множників для перебігу переходу перманганат-іонів в марганець 2+ потрібно 16 іонів гідрогену (водню), а при переході сульфіт-іону в сульфат виділяється 10 іонів, 16-10=6.
Отже,
2 KMnO4 + 5 Na2SO3 + 3 H2SO4 2 MnSO4 + 5 Na2SO4 + K2SO4 + 3 H2O
В окисно-відновних реакціях використовують поняття еквівалент.
Визначається еквівалент шляхом ділення молекулярної маси речовини, що бере участь в окисно-відновному процесі, на кількість електронів, які віддає (або ж приєднує) одна молекула речовини.
Приклад – задача.
Чи буде однаковою молярна маса еквівалента хромової кислоти H2CrO4 при взаємодії її з: a) NaOH ? б) HI ?
а) При перебігу реакції таким чином:
H2CrO4 + 2 NaOH = Na2CrO4 + 2 H2O
одна молекула хромової кислоти взаємодіє з двома молекулами NaOH, отже молярна масса еквіваленту хромової кислоти у цій реакції дорівнює половині молекулярної маси H2CrO4 .
б) При взаємодії хромової кислоти з йодистоводневою кислотою відбувається окисно-відновна реакція
2 H2CrO4 + 12 HI = 3 I2 + 2 CrI3 + 8 H2O
CrO42- + 3 + 8 H+ = Cr3+ + 4 H2O | 2 |
2 I- - 2 = I2 | 3 |
Кожна молекула хромової кислоти приєднує три електрони і молярна маса еквіваленту H2CrO4 дорівнює її молекулярній масі, поділеній на 3.
Отже, при взаємодії хромової кислоті з лугом та з йодистоводневою кислотою молярні маси еквівалентів хромової кислоти різні.