Окислительно-восстановительные процессы

Степень окисления. Под степенью окисления понимается условный заряд атома в соединении, вычисленный, исходя из предположения, что соединение состоит из ионов. Определение степени окисления проводят, используя следующие правила:
степень окисления элемента в простом веществе, например, металле или Н2, N2, O2 равна нулю;
алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю;
постоянную степень окисления в соединениях проявляют щелочные металлы (+1), металлы главной подгруппы II группы, цинк и кадмий (+2);
степень окисления кислорода в соединениях равна (-2), за исключением пероксидов, где С.О.= -1, например, Н2О2, Na2O2, CaO2; и фторида кислорода OF2 (+2) (С.О.=+2);
для водорода степень окисления равна (+1), за исключением солеобразных гидридов, например, NaH, где С.О. = -1.

Большинство элементов могут проявлять переменную С.О. в соединениях. В качестве примера рассчитаем С.О. серы в соединениях Na2SO4 и Na2SO3. Степень окисления водорода и щелочных металлов в соединениях равна +1, а С.О. кислорода –2. Соответственно С.О. серы равна:
Na2SO4 2(+1) + Х + 4(-2) = 0 ; Х = +6
Na2SO3 2(+1) + Х + 3(-2) = 0 ; Х = +4

Любая окислительно-восстановительная реакция состоит из процессов окисления и восстановления.
Окисление — это процесс отдачи электронов веществом, приводящий к повышению степени окисления элемента:
Zn0 – 2e → Zn+2
Вещества, отдающие свои электроны в процессе реакции, называются восстановителями. К типичным восстановителям относятся простые вещества, атомы которых имеют малую электроотрицательность (ЭО), например, металлы, водород, углерод, анионы элементов, атомы которых находятся в низшей степени окисления, например, CI-, S-2, а также углеводороды, азотоводороды, бороводороды и др.

Восстановление — это процесс присоединения электронов веществом, в результате чего степени окисления понижается:
Cu2+ + 2e → Cu0
Вещество, принимающее электроны, называется окислителем. К типичным окислителям относятся простые вещества, атомы которых характеризуются высокой ЭО, например, галогены и кислород, соединения кислорода, например, пероксиды, соединения благородных газов, например, KrF6, катионы и анионы, содержащие атомы с высокой степенью окисления, например, Fe3+, Pв4+, S6+, NO3, MnO4-, CrO42-, SO42-.

Атом того или иного элемента в своей высшей степени окисления может только понизить ее, т.е. в окислительно-восстановительной реакции он может быть только окислителем. Если же элемент находится в своей низшей степени окисления, то он может только повышать ее, т.е. быть только восстановителем. Если элемент находится в соединении в своей промежуточной степени окисления, то он может ее как понижать, так и повышать, т.е. в зависимости от напарника он может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Высшую степень окисления элемента, как правило, определяет номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (nS2np6).
Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, и, следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов.
Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону и, следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы.

Реакции, в которых окислители и восстановители представляют собой различные вещества, называются межмолекулярными:
Zn0 + Cu+2SO4 = Zn+2SO4 + Cu0
Zn0 – 2e → Zn+2 восстановитель
Cu+2 + 2e → Cu0 окислитель
Реакции, в которых окислителями и восстановителями могут быть атомы одной и той же молекулы, называются внутримолекулярными.
Обычно это реакции разложения:
2Н2+1О-2 = 2Н20 + О20
Н+1 + 1e → Н0 окислитель
О-2 - 2e → О0 восстановитель
Окислительно-восстановительные реакции, в которых происходит окисление и восстановление атомов или ионов одного и того же элемента, называются реакциями самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования):
3H2Mn+6O4 = 2HMn+7O4 + Mn+4O2 + 2H2O
Mn+6 – 1e → Mn+7 восстановитель
Mn+6 + 2e → Mn+4 окислитель

В окислительно-восстановительных реакциях наряду с окислителями и восстановителями могут участвовать ионы или молекулы среды. Например, в реакции окисления сульфита калия перманганатом калия участвует серная кислота:
5K2S+4O3 + 2KMn+7O4 + 3H2SO4 = 6K2S+6O4 + 2Mn+2SO4 + 3H2O
S+4 – 2e → S+6 восстановитель
Mn+7 + 5e → Mn+2 окислитель