Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

§ 17. Окисні та відновні властивості неметалів

Інформаційна довідка

• Під час окисно-відновних реакцій відбувається зміна ступенів окиснення атомів хімічних елементів, що входили до складу реагентів.

• Окисно-відновні процеси характеризуються такими поняттями, як окиснення, відновлення, окисник, відновник.

• Окиснення — це процес віддавання електронів атомом, молекулою або йоном.

• Відновлення — це процес приєднання електронів атомом, молекулою або йоном.

• Окисник — атом, молекула або йон, що приєднує електрони.

• Відновник — атом, молекула або йон, що віддає електрони.

• Пояснюючи окисно-відновні процеси, вдаються до складання електронного балансу окисно-відновної реакції, який допомагає урівноважити кількість відданих і приєднаних електронів.

ПРИЧИНА ХІМІЧНОЇ АКТИВНОСТІ НЕМЕТАЛІВ. Неметали, за винятком інертних (благородних) газів, є хімічно активними простими речовинами, що взаємодіють із металами, іншими неметалами, а деякі також зі складними речовинами.

Пригадайте з органічної хімії горіння та хлорування метану СН4, горіння етанолу С2Н5ОН і складіть відповідні рівняння реакцій.

Причина хімічної активності неметалів пояснюється електронною будовою їхніх атомів. Маючи на зовнішньому енергетичному рівні половину й більше половини електронів відповідного завершеного зовнішнього енергетичного рівня, атомам неметалічних елементів енергетично вигідніше приєднувати, а не віддавати електрони. Тому в реакціях неметалів із металами атоми неметалічних елементів приєднують електрони, а в реакціях з іншими неметалами утворюють спільні електронні пари. Дізнатися, до атомів якого з двох неметалічних елементів зміщуються спільні електронні пари в молекулі, допомагає ряд електронегативності неметалічних елементів:

Пригадаємо, як змінюється активність неметалічних елементів у межах одного періоду й однієї підгрупи.

У межах одного періоду зі збільшенням порядкового номера неметалічні властивості хімічних елементів посилюються.

У межах однієї підгрупи зі збільшенням порядкового номера неметалічні властивості хімічних елементів послаблюються.

Розглянемо хімічні властивості неметалів, спираючись на розглянуті закономірності.

Окисні властивості неметалів.

1. Взаємодія неметалів з металами.

У наведених рівняннях реакцій продуктами є бінарні сполуки, назви аніонів у них закінчуються на -ид (-ід).

Формули та назви бінарних сполук складають за такими загальними правилами номенклатури:

  • зазвичай першим пишуть символ менш електронегативного елемента (з позитивним ступенем окиснення), а після нього — більш електронегативного (з негативним ступенем окиснення);
  • першим називають у називному відмінку менш електронегативний елемент (елемент з позитивним ступенем окиснення);
  • якщо елемент проявляє змінну валентність, її зазначають у назві римською цифрою;
  • другою зазначають у називному відмінку назву більш електронегативного елемента (з негативним ступенем окиснення), тобто неметалічного, додаючи при цьому суфікси -ид або -ід.

З'ясуємо, чому взаємодія магнію з киснем є окисно-відновною реакцією:

Відбулася зміна ступенів окиснення Магнію та Оксигену. Отже, це окисно-відновна реакція.

Напишемо її електронний баланс, визначимо окисник і відновник:

А як змінилася будова електронних оболонок атомів Магнію та Оксигену в утвореній сполуці?

Як бачимо, зовнішні енергетичні рівні обох атомів набули завершеної конфігурації: Магнію — за рахунок віддавання двох електронів, Оксигену — за рахунок їх приєднання. Окисно-відновні процеси в інших наведених рівняннях взаємодії неметалів із металами розгляньте, попрацювавши групами.

Попрацюйте групами

Завдання 1. Складіть електронні баланси до рівнянь реакцій на с. 89.

Завдання 2. Установіть, який елемент є окисником, а який — відновником. Зазначте процеси окиснення і відновлення.

Завдання 3. До якого з відомих вам типів хімічних реакцій, крім окисно-відновних, належать реакції металів із неметалами?

Завдання 4. На підставі виконаної групової роботи й одержаних результатів зробіть висновок про те, яку функцію — окисника чи відновника — виконують неметали в реакціях з металами. Яким правилом ви доповнили б текст параграфа?

2. Взаємодія неметалів із неметалами як окисно-відновний процес.

За певних умов неметали взаємодіють між собою, утворюючи сполуки з ковалентним хімічним зв'язком, які називають за зазначеними вище правилами номенклатури. Щоб не помилитися, щоразу, розглядаючи взаємодію неметалів і складаючи рівняння, необхідно керуватись рядом електронегативності.

2.1. Взаємодія з киснем

До реакції атоми Карбону й Оксигену перебувають у вигляді простих речовин зі ступенями окиснення 0. В утвореному оксиді Карбон є менш електронегативним і має ступінь окиснення +4, тоді як більш електронегативний Оксиген має ступінь окиснення -2.

2.2. Взаємодія із воднем

Н2 + Cl2 = 2НСl (гідроген хлорид, або хлороводень)

Н2 + S = H2S (гідроген сульфід, або сірководень)

В атома Сульфуру до завершення зовнішнього енергетичного рівня не вистачає двох електронів, а в атома Гідрогену — одного. За рахунок утворення Сульфуром двох спільних електронних пар із двома атомами Гідрогену зовнішній енергетичний рівень електронної оболонки атома Сульфуру стає завершеним. Оскільки Сульфур більш електронегативний, то спільні електронні пари зміщуються в бік його атома і зв'язок, що утворився, є ковалентним полярним:

Унаслідок реакції ступені окиснення елементів зазнали змін:

Взаємодія неметалів із воднем належить до окисно-відновних реакцій. Утворюються леткі (газоподібні чи рідкі) бінарні сполуки.

Водний розчин гідроген сульфіду виявляє хімічні властивості кислот і називається сульфідна кислота. Їй притаманні загальні хімічні властивості кислот. Сульфідна кислота належить до слабких електролітів.

2.3. Взаємодія неметалів з іншими неметалами

Окрім взаємодії з киснем і воднем, неметали взаємодіють також з іншими неметалами, наприклад:

С + 2S = CS2 (карбон(IV) сульфід)

Si + 2Cl2 = SiCl4 (силіцій(IV) хлорид)

Користуючись рядом електронегативності, визначте ступені окиснення атомів неметалічних елементів у кapбон(IV) сульфіді та силіцій(IV) хлориді.

Продуктами взаємодії двох неметалів є речовини з ковалентним полярним хімічним зв'язком, спільні електронні пари якого зміщуються до атома більш електронегативного неметалічного елемента.

ВІДНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДНЮ Й ВУГЛЕЦЮ В РЕАКЦІЯХ З ОКСИДАМИ МЕТАЛІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Відновні властивості водню й вуглецю в їх реакціях з оксидами металічних хімічних елементів можна передати загальною схемою:

Розглянемо приклади.

Приклад 1. Відновлення вуглецем (відновлення відбувається за високої температури).

Fe2O3 + 3С = 2Fe + 3СО

FeO + С = Fe + СО

Сu2О + С = 2Сu + СО

ZnO + С = Zn + CO

МnО2 + 2С = Мn + 2СО

Приклад 2. Відновлення воднем

Fe2O3 + 3Н2 = 2Fe + 3Н2О

МоO3 + 3Н2 = Мо + 3Н2О

Попрацюйте групами

До кожного з рівнянь реакцій у прикладах 1 і 2 складіть електронний баланс і переконайтесь, що вуглець і водень у розглянутих прикладах є відновниками.

Завдяки своїм фізичним і хімічним властивостям неметали здобули широке використання в різних галузях суспільного господарства. Стислу інформацію про це ви отримаєте, попрацювавши з малюнком 30 (с. 80).

Знаємо, розуміємо

  • 1. Як змінюються окисні властивості неметалів у межах одного періоду й однієї групи періодичної системи?
  • 2.Наведіть приклад реакції, у якій сірка виявляє: а) окисні властивості; б) відновні властивості.
  • 3. Як дізнатись, у якого неметалічного елемента бінарної сполуки ступінь окиснення є позитивним, а у якого — негативним?
  • 4. Пригадайте з 10 класу, які неметали використовують для перетворення каучуку на гуму та під час виготовлення автомобільних шин.

Застосовуємо

  • 1. Складіть таблицю з такими рубриками: назва неметалу; застосування; властивість, що зумовлює застосування.
  • 2. Окисні чи відновні властивості виявляє азот у реакції з киснем, продуктом якої є нітроген(ІІ) оксид? Відповідь підтвердьте рівнянням реакції та електронним балансом.
  • 3. Обґрунтуйте, чому неметали в реакціях з металами виявляють окисні властивості.
  • 4. Обчисліть, яку масу міді можна відновити вуглецем (коксом) з купрум(I) оксиду кількістю речовини 8 моль.
  • 5. Обчисліть, чи вистачить 112 л водню (н. у.) для відновлення цинку із цинк оксиду масою 225 г.