Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные реакции — основные понятия

Степень окисления

Степенью окисления химического элемента называется гипотетический заряд, который может накопиться на атоме данного элемента, входящего в состав химического соединения, в предположении, что все химические связи в этом соединении являются ионными. На практике такая ситуация возникает не всегда (разложение соединения на отдельные катионы и анионы), поэтому степень окисления следует рассматривать как условное понятие. Степень окисления равна заряду рассматриваемого иона, поэтому она принимает положительные или отрицательные значения. Обозначается римской цифрой, стоящей после символа химического элемента. Элементы, находящиеся в разных степенях окисления, обладают различными окислительно-восстановительными свойствами.

Окисление

В процессе окисления (деэлектронизации) восстановитель повышает свою степень окисления и, следовательно, отдает электроны окислителю. Окисление и восстановление не могут протекать независимо друг от друга, поскольку для протекания противоположной реакции электроны, отданные одним химическим веществом, должны быть немедленно приняты другим.

Восстановление

При восстановлении (электронизации) окислитель снижает свою степень окисления в результате принятия электронов. Поэтому восстановление заключается в их захвате. Химический элемент, который это делает, называется окислителем.

Реакция диспропорционирования (дисмутации, одновременного окисления и восстановления)

Реакция диспропорционирования является одним из типов окислительно-восстановительных реакций. В литературе можно встретить также термин: реакция дисмутации. Его характерной особенностью является то, что в ходе окислительно-восстановительной реакции один и тот же элемент одновременно окисляется и восстанавливается. Для протекания реакции диспропорционирования необходимо соблюдение условия, при котором рассматриваемый элемент может присутствовать не менее чем в трех степенях окисления. При этом соединение, возникающее на промежуточной ступени окисления, демонстрирует значительно меньшую стойкость по сравнению с двумя другими ступенями. Реакции диспропорционирования протекают самопроизвольно. Такие атомы, как сера, азот, фосфор или марганец, подвержены этому типу окислительно-восстановительных реакций.

Реакция конпропорционирования

Реакция конпропорционирования, как и диспропорционирования, также является одним из типов окислительно-восстановительных реакций. Этот вид процесса происходит, когда два различных химических соединения, содержащих один и тот же элемент в разных степенях окисления, вступают в реакцию друг с другом. В результате окислительно-восстановительного процесса образуется другое соединение этого элемента с новым значением степени окисления.

Электронный баланс

В каждой реакции окисления и восстановления происходит обмен одним и тем же числом электронов. Если восстановитель в данном процессе отдает, например, два электрона, то другой из этой пары, окислитель, также примет на свою электронную оболочку два электрона. Данная ситуация определяется так называемым электронным балансом реакции. Этот баланс для всей окислительно-восстановительной реакции должен быть равен нулю.

Как происходят окислительно-восстановительные реакции?

В основе любой окислительно-восстановительной реакции лежит окисление и восстановление. С учетом этого каждый процесс можно расписать с помощью так называемых полууравнений, в которых подробно описываются только те атомы, которые отдают или принимают электроны. Таким образом, вся окислительно-восстановительная реакция — это, в некотором смысле, отдача и получение электронов. Это могут делать только те элементы, которые в химических соединениях встречаются более чем в одном состоянии окисления. Знание его значений для индивидуальных химических соединений необходимо для правильного учета и балансировки окислительно-восстановительных реакций. При составлении такого баланса, помимо правильного написания полууравнений, необходимо также указать реакции окисления и восстановления, а также окислитель и восстановитель соответственно. В качестве окислителей чаще всего применяются элементы с высокой электроотрицательностью (16-я и 17-я группы периодической таблицы элементов), ионы металлов на высших степенях окисления, ионы благородных металлов и окисляющие кислоты (например, азотная (V), серная (VI) и их смеси с другими неокисляющими кислотами). Наиболее распространенными окислителями являются такие соединения, как KMnO₄, K₂Cr₂O₇, KClO₃ или K₂S₂O₈. Восстановителями же являются электроположительные элементы (обычно из 1-й и 2-й групп периодической таблицы), металлы с нулевой степенью окисления, молекулярный водород, углерод, угарный газ и анионы неорганических кислот. Чаще всего выбираемые восстановители — это: Na, Mg, Fe²⁺, Cl^—, Br^—, SCN-. Кроме того, в записи окислительно-восстановительной реакции указывается число электронов, обмененных в процессе. Ход этого электронного обмена определяется окислительно-восстановительным потенциалом участвующих в нем реагентов. Иначе называется потенциалом полуэлемента или электронным потенциалом. По определению, чем больше разность потенциалов в системе, тем больше движущая сила всей окислительно-восстановительной реакции.

Можно ли наблюдать окислительно-восстановительные реакции в повседневной жизни?

Может показаться, что окислительно-восстановительные реакции — это тема, с которой мы сталкиваемся только на страницах школьных учебников и на уроках химии. Однако ничто не может быть дальше от истины. Подобные реакции сопровождают нас каждый день. Стоит получить больше информации о них и с большим пониманием наблюдать за процессами и окружающей нас средой. Ниже приведены примеры окислительно-восстановительных реакций в повседневной жизни, с которыми наверняка сталкивался каждый из нас:

• Коррозия металлов — наиболее распространенный процесс разрушения металлов и их сплавов. Он возникает в результате контакта поверхности рассматриваемого материала с окружающей средой и атмосферными агентами. Если рассматривать механизмы коррозионных процессов, то наиболее распространенным является электрохимическая коррозия, которая протекает в среде электролита, во влажных газах или в почве с высоким уровнем влажности. В месте коррозии образуется так называемый коррозионный элемент, в которой протекают электродные окислительно-восстановительные реакции. Разрушение металла всегда происходит в анодной области. Там происходит отдача электронов металлом, который, таким образом, окисляется и в виде ионов переходит в раствор электролита. Освобожденные заряды мигрируют к катоду. Там они соединяются с ионами или атомами, обладающими способностью присоединять электроны. Чаще всего это кислород из воздуха (на катоде он восстанавливается до гидроксид-ионов) или ионы водорода (восстанавливаются до молекулярного водорода). На катоде может происходить как один из этих процессов, так и оба одновременно.
• Фотосинтез — процесс, который сопровождает нас каждый день. В процессе фотосинтеза клетки с помощью солнечной энергии превращают углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, в глюкозу и кислород. Как и многие биохимические процессы в живых организмах, фотосинтез также протекает с изменением степеней окисления элементов, входящих в состав реактивов. В ходе этой окислительно-восстановительной реакции атом кислорода в молекуле воды окисляется до молекулярного кислорода. Таким образом, вода является донором электронов, или восстановителем. Акцептором образующихся зарядов, или окислителем, является углекислый газ. Входящие в его состав атомы углерода восстанавливаются из четвертого состояния окисления до нулевого.
• Гальванические элементы — элементами называются системы двух электродов, погруженных в один и тот же электролит (или разные электролиты), которые соединены друг с другом с помощью внешней цепи. Каждый электрод, погруженный в свой электролит (полуэлемент), проявляет определенный потенциал. Возникающая при этом разность потенциалов, т. е. протекание тока (электронов), обусловлена протеканием окислительно-восстановительных реакций. На каждом электроде происходит половина процессов. На аноде в результате реакции окисления отдаются электроны, которые принимаются на другом электроде — катоде — в реакции восстановления. Наиболее распространенными устройствами, в которых применяются гальванические элементы, являются аккумуляторы, которые служат источником электрической энергии, например, для автомобилей. Наиболее распространенная конструкция свинцово-кислотного аккумулятора состоит из двух электродов. Один из них представляет собой чистый свинец, а другой покрыт оксидом свинца (IV). Оба образца погружены в 37 %-ную серную кислоту (VI). Это позволяет обеспечить свободный обмен электронами между катодом и анодом в таком элементе. Во время работы аккумулятора начинают происходить окислительно-восстановительные реакции. Анодом в данном случае является свинцовый электрод. Свинец начинает окисляться и переходит от нулевой степени окисления до второй. Одновременно освобождаются два электрона, которые через электролит мигрируют к катоду. Здесь начинается процесс восстановления свинца из четвертого состояния окисления до свинца (II), т. е. оксид свинца (IV) превращается в сульфат свинца (II). В случае аккумулятора окислительно-восстановительная реакция является источником электрической энергии, которая затем может быть использована для питания различных устройств.