Хімія. Поглиблений рівень. 9 клас. Бутенко

Розділ 3. Окисно-відновні та електрохімічні процеси

§ 26. Окисно-відновні реакції. Поняття про окисники та відновники

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

• що таке окисно-відновні реакції;
• як розрізняти процеси окиснення й відновлення;
• що таке окисники і відновники.

Поняття про окисно-відновні реакції. За ознакою зміни ступенів окиснення елементів, що входять до складу речовин, які реагують, хімічні реакції поділяють на два типи.

До першого типу відносять реакції, що відбуваються без зміни ступенів окиснення елементів, які входять до складу речовин, що реагують. Це, наприклад, реакції нейтралізації та обміну:

До другого типу відносять хімічні реакції, під час перебігу яких змінюються ступені окиснення усіх або деяких елементів, що входять до складу речовин, які реагують. Такі реакції називають окисно-відновними (скорочено: ОВР):

Процеси окиснення та відновлення. Окисно-відновну реакцію можна подати як сукупність двох взаємопов'язаних процесів (напівреакцій) — окиснення та відновлення:

Окисно-відновні реакції, як і реакції інших типів, підпорядковуються загальному закону природи — закону збереження маси та енергії.

Окиснення — це процес віддавання електронів атомом (йоном або молекулою), який супроводжується збільшенням їхнього ступеня окиснення:

Відновлення — це процес приєднання електронів атомом (йоном або молекулою), який супроводжується зниженням їхнього ступеня окиснення:

Ступінь окиснення — це умовний заряд атома в речовині, який виник би на атомі за умови, що спільні електронні пари повністю змістилися б до більш електронегативного елемента. Ступінь окиснення позначають арабською цифрою зі знаком «+» або «-» перед нею та записують над символом елемента:

Окисники — це атоми, йони або молекули, які в даній окисно-відновній реакції приєднують електрони (їхній ступінь окиснення знижується, оскільки вони відновлюються):

Відновники — це атоми, йони або молекули, які в даній окисно-відновній реакції віддають електрони (їхній ступінь окиснення збільшується, оскільки вони окиснюються):

Окисно-відновні властивості атомів різних елементів залежать від місця елемента в Періодичній системі та від ступеня окиснення в сполуках. У багатьох елементів розрізняють мінімальний (найнижчий), проміжний та максимальний (найвищий) ступінь окиснення.

Демонстраційний дослід

Окисно-відновні реакції

• Взаємодія заліза з розчином мідного купоросу

У конічну мікропробірку доливають на третину її об'єму розчин CuSO₄. Занурюють у нього заздалегідь знежирений та протравлений у хлоридній кислоті залізний цвяшок, закріплений на тоненькому мідному дроті (рис. 23). Через 5 хв витягують цвяшок із розчину. Що відклалося на його поверхні? Для яких практичних цілей використовують цю реакцію? Які хімічні властивості з точки зору окисно-відновних реакцій виявляють йони Cu²⁺ і залізо? Складіть рівняння реакції.

Рис. 23. Взаємодія заліза з розчином купрум(ІІ) сульфату: 1 — мідний дріт; 2 — конічна мікропробірка; 3 — залізний цвяшок

• Взаємодія розчину калій йодиду з хлорною водою

Цей дослід проводять під тягою!

Заповнюють конічну мікропробірку на третину об'єму розчином калій йодиду й по краплинах додають хлорну воду — розчин хлору у воді.

Що відбувається? Складаючи рівняння реакції, беруть до уваги, що окисником у ній виступає хлор Cl₂.

• Взаємодія гідроген пероксиду із хром(ІІІ) сульфатом у лужному середовищі

У велику пробірку наливають 2 мл розчину хром(ІІІ) сульфату, додають 1,5 мл розчину натрій гідроксиду концентрацією 1 моль/л. Що спостерігаєте? Утворився осад зеленуватого кольору Cr(OH)₃. Додають по краплинах розчин натрій гідроксиду до повного розчинення осаду. Потім по краплинах доливають до розчину натрій гексагідроксохромату(ІІІ) Na₃[Cr(OH)₆], що утворився, концентрований розчин гідроген пероксиду, щоб одержати натрій хромат Na₂CrO₄ — речовину жовтого кольору:

2Na₃[Cr(OH₆)] + 3H₂O₂ = 2Na₂CrO₄ + 2NaOH + 8H₂O

• Взаємодія калій дихромату з гідроген пероксидом у кислотному середовищі

У велику пробірку, що містить 3 мл концентрованого розчину гідроген пероксиду, доливають 2 мл розведеного розчину сульфатної кислоти та 4 мл диетилового етеру. Суміш добре перемішують скляною паличкою й додають до неї 0,5 мл розчину калій дихромату. Знову перемішують суміш і спостерігають появу хром пероксиду — речовини синього кольору:

Приклади розв'язування задач

Приклад 1. Визначте ступінь окиснення підкреслених елементів, що входять до складу речовин або йонів:

а) NH₄Cl; б) H₃PO₄; в) KClO₃; г) Ca(NO₃)₂; ґ) SO₃; д) NO^-₂; е) Na₂SO₄.

Розв'язання

Позначимо ступені окиснення підкреслених елементів x та обчислимо їхні значення:

Приклад 2. Визначте, які властивості — окисника чи відновника — виявляють Mn, S, N у результаті переходів:

a) Mn₂O₇ → MnO; б) S → SO₃; в) NH₃ → NO.

Розв'язання

Основні поняття. Окисник. Відновник. Окиснення. Відновлення. Окисно-відновна реакція.

Для допитливих

Які бувають окисники та відновники

Одним із найпоширеніших окисників є кисень. Трохи сильнішим окисником є озон O₃, що утворюється в земній атмосфері внаслідок ультрафіолетового опромінювання кисню. Озон здатний окиснювати речовини, які з киснем за звичайних умов не реагують, наприклад нітроген(IV) оксид і срібло:

2NO₂ + O₃ = N₂O₅ + O₂

2Ag + 2O₃ = Ag₂O₂ + 2O₂

Найсильнішим окисником серед простих речовин є фтор F₂. Але він дуже активний, тому його важко одержати у вільному стані. Через це в лабораторіях як окисник використовують калій перманганат KMnO₄. Його окисні властивості залежать від концентрації розчину, температури та характеру середовища (нейтрального, кислотного чи лужного). Застосовують також калій дихромат K₂Cr₂O₇, нітратну кислоту HNO₃, гідроген пероксид H₂O₂. Найсильніший з усіх відомих окисників — оксиген флуорид OF₂.

Найпоширеніший у природі відновник — вуглець C. Його активно використовують у промисловості для одержання металів з їхніх оксидів:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO

ZnO + C = Zn + CO

Водень, як і вуглець, під час нагрівання легко відновлює оксиди багатьох металічних елементів, перетворюючись при цьому на воду:

CuO + H₂ = Cu + H₂O

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O

Дуже сильними відновниками є лужні та лужноземельні метали. Вони відновлюють навіть воду, витискуючи з неї водень:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

На практиці відновними властивостями металів користуються для добування деяких активних металів з їхніх оксидів або хлоридів:

3BaO + 2Al = 3Ba + Al₂O₃

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

Запитання та завдання

• °1. Які хімічні реакції називають окисно-відновними?
• °2. Який процес називають окисненням, а який — відновленням?
• °3. Що розуміють під ступенем окиснення будь-якого елемента в речовині? Як його позначають?
• °4. Які складові частинки речовини називають окисниками, а які — відновниками?
• 5. Визначте ступені окиснення елементів, що входять до складу речовин: а) Cl₂, FeCl₃, NaClO₄, Mn₂O₇, K₂Cr₂O₇, CS₂; б) Al(HCO₃)₃, Ca(MnO₄)₂, (NH₄)₃PO₄, BaO₂, Cu₂O, Fe(OH)(NO₃)₂.
• 6. Укажіть речовину-окисник і речовину-відновник у схемах реакцій:

а) Na + N₂ → Na₃N;

б) Al + H₂S → Al₂S₃ + H₂↑;

в) C + H₂O → CO + H₂;

г) NO + O₂ → 2NO₂.

• 7. Які з реакцій є окисно-відновними:

а) H₂S = H₂ + S;

б) FeO + 2HCl = FeCl₂ + H₂O;

в) Ba(NO₃)₂ = Ba(NO₂)₂ + O₂?

• 8. Які з реакцій є окисно-відновними:

а) KHCO₃ + KOH → K₂CO₃ + H₂O;

б) Fe(OH)₂ + O₂ + H₂O → Fe(OH)₃;

в) Al(NO₃ )₃ → Al₂O₃ + NO₂ + O₂?

Складіть для них хімічне рівняння та розставте коефіцієнти. Для кожної з напівреакцій укажіть, яка речовина є окисником, а яка — відновником, яка речовина відновлюється, а яка — окиснюється.

• 9. Яку кількість електронів приєднує чи втрачає Нітроген у результаті перетворень:

а) нітрат-іон → нітрит-іон;

б) азот → нітроген(ІІ) оксид;

в) нітроген(ІІ) оксид → нітроген(IV) оксид?

• 10. Які з йонів і молекул Cl^-, Fe²⁺, Ca²⁺, O₂ можуть виступати в окисно-відновних реакціях тільки як окисники? тільки як відновники? як окисники, так і відновники?
• *11. У результаті реакції H₂S + SO₂ → S + H₂O одержали сірку масою 12 г. Які об'єми (н. у.) гідроген сульфіду та сульфур(IV) оксиду витратили в ході цієї реакції?
• *12. Ферум оксид масою 16 г відновили карбон(ІІ) оксидом, узятим об'ємом 6,72 л (н. у.), до заліза. Оксид Феруму якого складу було взято?

Лев Володимирович Писаржевський (1874-1938)

Український хімік, академік, автор теорії окисно-відновних реакцій, в основі якої уявлення про перехід електронів від одних частинок до інших. Він також заклав основи електронної теорії каталітичних процесів. Засновник і перший директор Інституту фізичної хімії Національної академії наук України, який носить його ім'я.