Химия - это просто

Популярно о химии

· Что такое химия
· Периодическая таблица

ОБЩАЯ ХИМИЯ

Вещества и смеси

Атомы и молекулы

Строение веществ

Взаимодействие веществ

· Виды химических реакций
· Уравнения химических реакций
· Классификации химических реакций
· Баланс химических реакций
· Химическое равновесие
· Скорость химических реакций
· Окислительно-восстановительные реакции
· Составление уравнений ОВР
· Тепловой эффект реакции
· Закон Гесса
· Электрохимические элементы
· Кислоты и основания
· Сильные кислоты и основания
· Слабые кислоты и основания
· Кислотно-основные реакции
· Индикаторы
· Водородный показатель pH

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Окислительно-восстановительные реакции

1. Важнейшие окислители и восстановители
2. Окисление
3. Восстановление
4. Окисление-восстановление
5. Таблица степеней окисления химических элементов

Все химические реакции можно разделить на два больших вида: реакции, протекающие без изменения степени окисления элементов; и реакции, в которых происходит изменение степеней окисления элементов (окислительно-восстанвительные реакции).

Пример химической реакции, в которой не происходит изменение степеней окисления элементов - в такой реакции степени окисления элементов в молекулах исходных веществ равны степеням окисления этих же элементов в продуктах реакции:

HCl+NaOH = NaCl+H2O
степени окисления:
+1: H, Na
-1: Cl
-2: O

Пример химической реакции, в которой происходит изменение степени окисления элементов:

2Mg+O2=2MgO
степени окисления:
0: Mg, O - в левой части ур-я
+2: Mg - в правой части
-2: O - в правой части

К окислительно-восстановительным реакциям относятся многие жизненно-необходимые химические процессы: горение, дыхание, фотосинтез…

Окислительно-восстановительные реакции состоят из двух полуреакций: реакции окисления и реакции восстановления.

Процесс отдачи элементом электрона называется окислением, а сам элемент, отдающий электрон, называется восстановителем.

Процесс присоединения элементом электрона, называется восстановлением, а сам элемент, принимающий электрон, называется окислителем.

Важнейшие окислители и восстановители

Все химические элементы можно разделить на два больших класса - элементы с постоянными степенями окисления (такие элементы, как правило, не меняют свою степень окисления в сложных веществах), и элементы с переменной степенью окисления (такие элементы легко отдают или принимают электроны). По этой причине свойства сложных веществ обусловлены наличием в их составе элементов с переменной степенью окисления.

В свою очередь, элементы с переменной степенью окисления подразделяются на три категории:

• элементы с высшей степенью окисления - такие элементы могут только понижать свою степень окисления (участвовать в процессе восстановления), следовательно, вещество, в состав которого входят такие элементы, может выступать только в роли окислителя (присоединять электроны), например, перманганат калия (марганцовка) может быть только окислителем, поскольку марганец в KMnO₄ имеет высшую степень окисления +7.
• элементы с низшей степенью окисления - такие элементы могут только повышать свою степень окисления (участвовать в процесс окисления), следовательно, вещество, в состав которого входят такие элементы, может выступать только в роли восстановителя (отдавать электроны), например, аммиак является восстановителем, поскольку, азот, входящий в состав NH₃, имеет низшую степень окисления -3.
• элементы с промежуточной степенью окисления - такие элементы могут, как отдавать электроны, так и принимать их (все зависит от "партнера" по реакции), следовательно, вещество, в состав которого входят такие элементы, может быть, как окислителем, так и восстановителем, например, сера, входящая в состав сульфита натрия Na₂SO₃, имеет промежуточную степень окисления +4, по этой причине сульфит натрия в реакции с перманганатом калия окисляется до сульфата натрия (является восстановителем), а в реакции с сероводородом сульфит натрия восстанавливается до свободной серы (является окислителем).

Активные окислители:

• простые вещества:
  • кислород (O₂);
  • фтор (F₂);
• сложные вещества:
  • перманганат калия (KMnO₄);
  • хроматы и дихроматы (K₂Cr₂O₇);
  • азотная кислота и ее соли (HNO₃);
  • хлорная кислота и ее соли (HClO₄);
  • концентрированная серная кислота (H₂SO₄);
  • оксид свинца (PbO₂).

Активные восстановители:

• все простые вещества-металлы, наиболее активные:
  • щелочные металлы;
  • щелочноземельные металлы;
  • магний (Mg);
  • алюминий (Al);
  • цинк (Zn).
• сложные вещества:
  • метан (CH₄);
  • аммиак(NH₃);
  • силан(SiH₄);
  • фосфин(PH₃);
  • нитриды и фосфиды металлов (Na₃N, Ca₃P₂)
  • сероводород (H₂S)
  • галогеноводороды (HI, HBr, HCl)
  • сульфиды и галогениды металлов
  • гидриды металлов (NaH, CaH₂)

• чаще являются окислителями:
  • галогены (Cl₂; Br₂);
  • хлорноватистая кислота (HClO) и ее соли (гипохлораты, хлораты);
  • оксид марганца (IV) MnO₂;
  • соли трехвалентного железа (FeCl₃)
• чаще являются восстановителями:
  • водород (H₂);
  • углерод (C);
  • оксид углерода (II) CO;
  • сульфиты металлов (Na₂SO₃);
  • соли двухвалентного железа (FeSO₄)

Разновидности окислительно-восстановительных реакций:

• межмолекулярные - окислитель и восстановитель являются разными веществами:

  N20+H20→N-3H3+1
  

• внутримолекулярные - окислитель и восстановитель входят в состав одного вещества:

  N-3H4N+3O2→N20+H2O
  

• реакции диспропорционирования - окисляется и восстанавливается один и тот же элемент, находящийся в промежуточной степени окисления:

  N+4O2+H2O→HN+5O3+3+HNO2
  

Окисление

Существует три типа реакций окисления:

• с отдачей электронов;
• с участием кислорода;
• с образованием водорода.

Отдача электронов

Окисление - реакция, во время которой химический элемент отдает электроны:

Na_(т) → Na⁺ + e^-

Когда металл отдает электрон, он становится катионом (положительно заряженный ион). Подобные процессы широко используются в электрохимических реакциях.

Участие кислорода

В некоторых окислительных реакциях реагент получает атомы кислорода. Типичные реакции:

• горение: C_(т) + O_{2 (г)} → CO_{2 (г)}
• коррозия: 2Fe_(т) + 3O_{2 (г)} → 2Fe₂O_{3 (т)}

Образование водорода

В некоторых реакциях окисления происходит потеря атомов водорода:

CH₃OH_(ж) → CH₂O_(ж) + H_{2 (г)}

Во время превращения метанола в формальдегид из 4-х атомов водорода, содержащихся в метаноле, в молекуле формальдегида остается только две.

Восстановление

Восстановительные реакции бывают трех типов:

• получение электронов;
• потеря атомов кислорода;
• получение атомов водорода.

Получение электронов

Восстановление - химическая реакция во время которой химический элемент получает электроны:

Ag⁺ + e^- → Ag_(т)

Во время гальванопокрытия катион серебра (положительнозаряженный ион) получает электрон и восстанавливается до металлического серебра.

Потеря кислорода

В некоторых реакциях восстановление осуществляется за счет потери атомов кислорода:

Fe₂O_{3 (т)} + 3CO_(г) → 2Fe_(т) + 3CO_{2 (т)}

Железная руда восстанавливается до металлического железа при помощи реакции взаимодействия с оксидом углерода.

Получение водорода

В некоторых случаях восстановление происходит в результате получения атомов водорода:

CO_(г) + 2H_{2 (г)} → CH₃OH_(ж)

Молекула оксида углерода получает атомы водорода и становится метиловым спиртом.

Окисление-восстановление

При окислительно-восстановительных реакциях электроны, "теряемые" одним компонентом, тут же "находятся" другим:

Zn_(т) + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu_(т)

Реакция металлического цинка с водным раствором сульфата меди состоит из двух полуреакций:

• Zn_(т) → Zn²⁺ + 2e^- - полуреакция окисления
• Cu²⁺ + 2e^- → Cu_(т) - полуреакция восстановления

Катион меди (Cu²⁺) называется окислителем (агент окисления). Он принимает электроны от окисляемых компонентов.

Принимая электроны, катион меди восстанавливается. Компонент, который предоставляет электроны, называется восстановителем (агентом восстановления). В нашем случае - это металлический цинк.

См. далее: Как составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций...

PS Более подробно окислительно-восстановительные реакции рассмотрены в разделе Окислительно-восстановительные реакции для "чайников".