Хімія. Повторне видання. 9 клас. Ярошенко

§ 19. Окисно-відновні реакції. Процеси окиснення та відновлення

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • визначати ступені окиснення елементів за хімічною формулою сполуки та складати формули бінарних сполук за ступенями окиснення хімічних елементів;
  • розрізняти окисно-відновні реакції й ті, в яких ступені окиснення не змінюються;
  • обґрунтовувати процеси окиснення й відновлення з погляду електронної будови атомів.

Крім розглянутої в параграфі 18 класифікації хімічних реакцій існує також класифікація за зміною ступеня окиснення елементів під час хімічної реакції.

Ступінь окиснення — це умовний заряд атома, обчислений на основі припущення, що всі хімічні зв’язки в речовині — йонні.

Попрацюйте групами

1. Ознайомтесь із правилами визначення ступенів окиснення.

  • 1. Ступінь окиснення елемента у простій речовині дорівнює нулю.
  • 2. Металічні елементи у сполуках з неметалічними завжди мають позитивний ступінь окиснення.
  • 3. Неметалічні елементи у сполуках з металічними мають завжди негативний ступінь окиснення.
  • 4. Гідроген у сполуках має ступінь окиснення +1 (за винятком бінарних сполук з металічними елементами).
  • 5. Оксиген у сполуках має ступінь окиснення -2 (за винятком сполуки з Флуором OF2, гідроген пероксиду Н2О2 та деяких інших сполук).
  • 6. Величина ступеня окиснення атома у складній речовині здебільшого дорівнює кількості валентних електронів, що взяли участь в утворенні хімічного зв’язку.
  • 7. Алгебраїчна сума ступенів окиснення всіх атомів у сполуці дорівнює нулю.
  • 8. У бінарній сполуці позитивний ступінь окиснення має елемент із меншою електронегативністю.
  • 9. Максимальний позитивний ступінь окиснення елемента здебільшого дорівнює номеру групи в періодичній системі, у якій розташований елемент.

2. Визначте ступені окиснення елементів за такими формулами: N2, N2O, N2O3, Li3N, NO2, NH3, Mg3N2.

3. Користуючись правилами визначення ступенів окиснення, складіть формули зазначених сполук Хлору:

КЛАСИФІКАЦІЯ РЕАКЦІЙ ЗА ЗМІНОЮ СТУПЕНІВ ОКИСНЕННЯ АТОМІВ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ПІД ЧАС ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ. За цією ознакою хімічні реакції класифікують на дві групи:

  • реакції, що відбуваються без зміни ступенів окиснення елементів;
  • окисно-відновні реакції (відбувається зміна ступенів окиснення елементів).

Щоб встановити тип реакції за цією ознакою, потрібно визначити та порівняти ступені окиснення всіх хімічних елементів у формулах реагентів і продуктів реакції.

Приклад 1. Складемо рівняння хімічної реакції купрум(ІІ) оксиду з хлоридною кислотою, визначимо й напишемо над кожним символом хімічних елементів їхні ступені окиснення.

Порівняємо ступені окиснення кожного хімічного елемента у формулах реагентів і продуктів реакції та дійдемо висновку про відсутність зміни ступенів окиснення елементів у цій реакції. Тобто вона належить до реакцій, що відбуваються без зміни ступеня окиснення.

Приклад 2. Складемо рівняння хімічної реакції алюмінію з хлоридною кислотою та визначимо ступені окиснення хімічних елементів.

Оскільки Алюміній і Гідроген під час реакції змінили ступені окиснення, робимо висновок про те, що ця реакція належить до окисно-відновних.

Окисно-відновні реакції — це реакції, які відбуваються зі зміною ступенів окиснення хімічних елементів.

З’ясуємо, як теорія електронної будови атомів пояснює зміну ступенів окиснення хімічних елементів.

ПРОЦЕСИ ОКИСНЕННЯ ТА ВІДНОВЛЕННЯ З ПОГЛЯДУ ЕЛЕКТРОННОЇ БУДОВИ АТОМІВ. У йонних сполуках металічний елемент має позитивний, а неметалічний — негативний ступінь окиснення. У сполуках з ковалентним полярним зв’язком ступені окиснення хімічних елементів визначають на основі припущення про те, що всі хімічні зв’язки в речовині теж йонні. На основі цього припущення елемент із меншою електронегативністю має позитивний ступінь окиснення, а елемент із більшою електронегативністю — негативний. Тобто зміну ступенів окиснення елементів в окисно-відновних реакціях пояснюють процесами віддачі електронів структурними частинками одних елементів і приєднання їх структурними частинками інших. Ці процеси прийнято відображати записом електронного балансу.

Під час утворення йонного хімічного зв’язку атоми металічних елементів віддають електрони, а неметалічних — приєднують.

Електронний баланс — це запис, у якому зазначено процеси віддачі та приєднання електронів хімічними елементами під час окисно-відновної реакції.

В електронному балансі записують символи хімічних елементів, що змінили ступені окиснення, позначають над кожним ступінь його окиснення до та після реакції. Вказують кількість приєднаних чи відданих електронів. Запишемо електронний баланс для хімічної реакції алюмінію з хлоридною кислотою.

З електронного балансу бачимо, що атом Алюмінію (ступінь окиснення 0) віддав 3 електрони й перетворився на частинку (йон) зі ступенем окиснення +3. Два йони Гідрогену зі ступенем окиснення +1 приєднали по одному електрону кожний (у сумі 2 електрони) і перетворилися на атоми зі ступенем окиснення 0 та утворили молекулу водню.

Зверніть увагу на те, що унаслідок віддачі електронів ступінь окиснення елемента збільшився (0 < 3), а внаслідок приєднання — зменшився (1 > 0).

Процес віддачі електронів прийнято називати окисненням, а процес приєднання — відновленням. Під час окиснення ступінь окиснення збільшується, а під час відновлення — зменшується.

Щоб з’ясувати, як в окисно-відновній реакції алюмінію з хлоридною кислотою змінювався електронний склад структурних частинок речовин, запишемо їхні електронні формули до та після реакції.

З електронних формул катіона Алюмінію та молекули водню бачимо, що ці структурні частинки мають завершений зовнішній енергетичний рівень (електронний шар).

Як і всі хімічні реакції, окисно-відновні ніяк не позначаються на будові ядра атома, його складові частинки — протони й нейтрони — в окисно-відновних процесах участі не беруть, їх кількість залишається незмінною.

Попрацюйте групами

1. За поданими схемами визначте, процеси окиснення чи відновлення вони відображають.

Для кожної схеми зазначте кількість відданих чи приєднаних електронів.

2. Правила визначення ступенів окиснення елементів ілюструйте прикладами.

Стисло про основне

• За класифікаційною ознакою зміна ступенів окиснення хімічних елементів хімічні реакції поділяють на окисно-відновні та реакції, що відбуваються без зміни ступеня окиснення.

• Окисно-відновні реакції супроводжуються зміною ступенів окиснення хімічних елементів.

• За електронною теорією будови атомів зміна ступенів окиснення елементів розглядається як процес переходу електронів від менш електронегативного елемента до більш електронегативного.

• Процес окиснення — віддача електронів, процес відновлення — приєднання електронів. Ці процеси взаємозв’язані. Їх представляють у вигляді електронного балансу.

Сторінка ерудованих

У кислотних залишках оксигеновмісних кислот ступені окиснення визначають для кожного хімічного елемента. Це зробити легко, оскільки відомо, що ступінь окиснення Оксигену у сполуках дорівнює -2, а Гідроген у сполуках має ступінь окиснення +1.

Визначимо ступінь окиснення Сульфуру в сульфатній кислоті.

Отже, ступінь окиснення Сульфуру в сульфатній кислоті дорівнює +6.

Аналогічно здійснюють визначення ступенів окиснення елементів у формулах солей оксигеновмісних кислот, наприклад, калій ортофосфаті.

Потренуйтесь у застосуванні одержаних знань і визначте ступені окиснення елементів у формулах сульфітної кислоти, натрій нітрату, ортофосфатної кислоти, кальцій карбонату.

Знаємо, розуміємо

1. Сформулюйте визначення ступеня окиснення та окисно-відновних реакцій.

2. Назвіть відомі вам правила визначення ступенів окиснення елементів.

3. Який процес називають окисненням, а який — відновленням?

4. Як змінюється ступінь окиснення елемента під час: а) віддачі електронів; б) приєднання електронів?

Застосовуємо

78. Визначте ступені окиснення хімічних елементів у речовинах за формулами: О2, ZnO, SO2, NH3, СН4.

79. Складіть рівняння реакцій бромідної кислоти з натрій оксидом і натрію з бромом. Яка з них є окисно-відновною? Складіть її електронний баланс.

80. Складіть рівняння реакції магнію з хлором. Запишіть електронний баланс, зазначте процеси окиснення й відновлення.

81. Укажіть назву структурних частинок атома, зміна кількості яких спричинює зміну ступеня окиснення хімічного елемента.

  • А протони
  • Б електрони
  • В нейтрони

82. Зазначте для кожного випадку кількість відданих чи приєднаних електронів. Які зі схем відображають процес окиснення, а які — відновлення?

83*. Як пояснити з погляду електронної будови атомів, що у двохатомних молекулах простих речовин ступінь окиснення нульовий?