Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 14. Окисно-відновні реакції

Окиснення і відновлення — протилежні процеси

Реакції, у яких хоча б один елемент змінює свій ступінь окиснення, називають окисно-відновними.

Будь-яка окисно-відновна реакція (ОВР) — це сукупність двох взаємопротилежних процесів (напівреакцій): окиснення та відновлення.

Під час окиснення атом (йон) втрачає електрони, а оскільки вони заряджені негативно, то заряд (ступінь окиснення) атома (йона) збільшується:

Окиснення — це процес віддачі електронів атомом (йоном) зі збільшенням ступеня окиснення.

Частинку, що втрачає електрони й тим самим підвищує свій ступінь окиснення, називають відновником. Речовину, що містить елемент-відновник, також називають відновником. Оскільки відновник у ході реакції втрачає електрони, то сам він при цьому окиснюється:

Процес, протилежний процесу окиснення, називають відновленням.

Відновлення — це процес приєднання електронів атомом (йоном) зі зменшенням ступеня окиснення.

Оскільки електрони несуть негативний заряд, їх приєднання атомом (йоном) супроводжується зниженням його ступеня окиснення:

Частинку, що приймає електрони, а також речовину, у складі якої вона міститься, називають окисником. Оскільки окисник у ході реакції приймає електрони, то сам він при цьому відновлюється:

Під час взаємодії цинку з хлоридною кислотою деякі елементи змінюють свій ступінь окиснення:

Ступінь окиснення Цинку підвищується від 0 до +2, тобто атом Цинку віддає два електрони:

Ступінь окиснення Гідрогену знижується, тобто він приймає електрони:

Загальна кількість електронів у результаті реакції не змінюється. Окисно-відновна реакція зводиться до переносу електронів від відновника (Zn) до окисника (атомів Н у молекулі кислоти):

Атоми Хлору в цій реакції не змінюють ступінь окиснення і в напівреакціях окиснення й відновлення участі не беруть.

Лев Володимирович Писаржевський (1874-1938)

Український фізико-хімік, сформулював основні положення теорії окисно-відновних реакцій

Окисники й відновники

Хімічні елементи, що перебувають у найвищому ступені окиснення, можуть виявляти лише окисні властивості, оскільки їхні атоми можуть тільки приймати електрони. Елементи в нижчому ступені окиснення можуть бути лише відновниками, оскільки їхні атоми можуть тільки віддавати електрони. Атоми елементів у проміжному ступені окиснення можуть як віддавати, так і приймати електрони, тобто можуть виявляти і окисні, і відновні властивості (мал. 14.1).

Мал. 14.1. Окисні й відновні властивості Сульфуру

Речовини-окисники

Окисні властивості найбільш виражені в типових неметалів (галогени, кисень, сірка), а також у деяких складних речовин, що містять елементи у найвищому ступені окиснення.

Найсильніший окисник серед простих речовин — фтор F₂. Навіть за звичайних умов він реагує з більшістю речовин (у багатьох випадках з вибухом), а за нагрівання окиснює і благородні метали — золото і платину. Фтор — це єдина речовина, що за жодних умов не може бути відновником.

Дуже сильними окисниками є концентрована сульфатна кислота (в якій Сульфур має вищий ступінь окиснення +6) та нітратна кислота (в її складі атом Нітрогену має вищий ступінь окиснення +5). Суміш концентрованих нітратної та хлоридної кислот називають «царською водою», вона окиснює навіть благородні метали (золото й платину).

У лабораторії часто застосовують калій перманганат КМnО₄. Він містить Манган у найвищому ступені окиснення +7. Також у лабораторії використовують такі сильні окисники, як калій дихромат К₂Сr₂О₇, гідроген пероксид Н₂О₂, хлор Сl₂ і натрій гіпохлорит NaClO.

Речовини-відновники

Відновні властивості характерні для багатьох простих речовин — водню, вуглецю, металів, а також для сполук елементів у нижчих ступенях окиснення.

Найпоширенішим відновником є вуглець. Його використовують у промисловості для добування металів з оксидів. Інший поширений відновник — водень. Як і вуглець, за нагрівання він відновлює з оксидів багато металів.

Сильні відновні властивості виявляють активні метали: лужні, лужноземельні та алюміній.

У лабораторії як відновники використовують сполуки, що містять елементи в низьких ступенях окиснення: сірководень H₂S, йодидну кислоту НІ тощо.

Складання електронного балансу для ОВР

Складати електронний баланс ви вже навчилися в 9 класі, тому пригадаємо загальний алгоритм.

1. Визначте ступені окиснення всіх хімічних елементів, що містяться у складі реагентів і продуктів реакції. Визначте елементи, що змінюють ступені окиснення.

2. Запишіть рівняння напівреакцій окиснення і відновлення одне під одним. Праворуч і внизу відкресліть їх вертикальною й горизонтальною лініями. За вертикальною лінією напроти кожного рівняння запишіть кількість електронів, що беруть участь у напівреакції.

3. Для того щоб зрівняти кількість відданих і прийнятих електронів (тобто скласти електронний баланс), визначте найменше спільне кратне для цих чисел і запишіть його в другому стовпчику.

4. Визначте додаткові множники до рівняння кожної напівреакції, розділивши найменше спільне кратне на число відданих (прийнятих) електронів. Ці множники запишіть у третьому стовпчику праворуч.

5. Складіть ліві й праві частини рівнянь напівреакцій, помноживши їх на додаткові множники. При цьому кількість відданих і прийнятих електронів має бути однаковою (тоді електрони мають скоротитися).

6. Перенесіть додаткові множники, отримані під час складаня рівнянь напівреакцій, як коефіцієнти в сумарне рівняння реакції. Доберіть відсутні коефіцієнти.

7. Укажіть процеси окиснення й відновлення, елемент-окисник і елемент-відновник, а в сумарному рівнянні — речовини, у складі яких вони містяться.

Отже, електронний баланс має бути оформлений так:

Значення окисно-відновних реакцій

Окисно-відновні реакції мають велике значення в природі та практичній діяльності людини. Вони є основою багатьох процесів життєдіяльності організмів. У промисловості окисно-відновні реакції — один із важливих методів добування нових речовин, зокрема металів, а також у виробництві кислот, ліків, барвників тощо.

• Фотосинтез — це багатостадійний окисно-відновний процес, що забезпечує життя на планеті. Під дією світла в багатьох організмах відбувається процес, який можна описати сумарним рівнянням:

6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂↑

У цій реакції окисником є вуглекислий газ, а відновником — атоми Оксигену у складі води.

• Будь-яка реакція горіння є окисно-відновною. Із давніх-давен горіння є важливим джерелом енергії для людини. Одним із поширених видів палива є деревина, її горіння можна описати рівнянням, зворотним до процесу фотосинтезу:

(С₆Н₁₀О₅)_n + 6О₂→ 6СО₂ + 6Н₂О

• У живих організмах можуть відбуватися й небажані процеси окиснення різних сполук, наслідком чого можуть бути мутації ДНК та захворювання, зокрема рак. Для запобігання цьому існують речовини-антиоксиданти, що виявляють відновні властивості. Вони взаємодіють із надлишковими окисниками в організмі й «нейтралізують» їх. Найпоширенішим антиоксидантом є вітамін С.

• У звичайних батарейках також відбуваються окисно-відновні реакції, енергія від яких перетворюється на електричну енергію. Такі джерела електричного струму називають гальванічними елементами. У найпоширенішому гальванічному елементі (батарейці) відбувається реакція, яку схематично можна описати рівнянням:

Zn + МnО₂→ ZnO + МnО

Акумулятори в автомобілях, ноутбуках та мобільних телефонах — це також гальванічні елементи, в яких відбуваються різноманітні ОВР.

• Усі металургійні процеси — добування металів — неможливі без окисно-відновних реакцій. Для відновлення металів із руди (заліза, міді, свинцю тощо) зазвичай використовують кокс (спеціально оброблене вугілля). А для відновлення алюмінію з руди використовують електричний струм. Україна — одна з країн з найбільш розвиненою металургією. За випуском чорних металів наша країна посідає одне з провідних місць у світі.

Ключова ідея

Окиснення й відновлення — протилежні взаємопов'язані процеси, що полягають в обміні електронами.

Запитання та завдання

74. Дайте визначення понять «окисно-відновна реакція», «окисник», «відновник», «окиснення», «відновлення».

75. Які речовини можуть виявляти властивості: а) відновників; б) окисників? Наведіть приклади сильних окисників і відновників.

76. У якому ступені окиснення елементи можуть виявляти властивості: а) лише окисні; б) лише відновні; в) і окисні, і відновні?

77. Доповніть схеми, указавши кількість електронів.

78. У кожному ряду речовин знайдіть елемент, що міститься в усіх трьох сполуках. Визначте його ступінь окиснення в усіх цих сполуках. За ступенем окиснення визначте, в якій речовині цей елемент може бути лише окисником, у якій — лише відновником, а в якій здатний виявляти як окисні, так і відновні властивості.