Окислительно-восстановительные и обменные реакции

Перераспределение химических связей сопровождается изменением электронного состояния атомов, молекул, ионов, участвующих в реакции. Во многих случаях оно является результатом передачи электронов от одних реагирующих частиц другим:

Реакции, сопровождающиеся переносом электронов от одной частицы к другой, называются окислительно-восстановительными.

Передача электрона может быть и неполной — меняется лишь полярность связей. Например, в реакции.

вместо неполярной связи 0=0 появляются новые полярные связи S=0, а в реакции

вместо малополярных связей С—Н появляются сильнополярные связи Н—CI.

Для удобства описания окислительно-восстановительных реакций в химии используется понятие степень окисления. Это есть положительное или отрицательное число, которое по формальным правилам может быть приписано атому любого элемента в любом соединении и формально представляет собой гипотетический заряд на данном атоме при допущении, что все гетероатомные химические связи чисто ионные. Степень окисления определяется по следующим правилам:

• 1. Степень окисления элемента в простом веществе равна нулю.
• 2. Степень окисления элемента в форме одноатомного иона в веществе, имеющем ионное строение, равна заряду этого иона.
• 3. В ковалентном соединении электронные пары связи полностью относят к более электроотрицательному элементу и степенью окисления считают образующиеся при этом заряды.
• 4. Алгебраическая сумма всех степеней окисления атомов в нейтральной молекуле равна нулю, а в сложном ионе — заряду иона.

В дополнение к этим правилам полезно запомнить степени окисления некоторых наиболее часто встречающихся элементов.

Фтор как наиболее электроотрицательный элемент во всех своих соединениях имеет степень окисления -1. Кислород обычно имеет степень окисления -2, за исключением фторидов, в которых его степень окисления положительна, и пероксида водорода и его производных, в которых степень окисления кислорода равна —1. Водород в соединениях с неметаллами имеет степень окисления +1, а в соединениях с типичными металлами -1. Щелочные металлы во всех соединениях имеют степень окисления +1; щелочноземельные практически всегда +2. Хлор в большинстве соединений с другими элементами проявляет степень окисления -1, и только в соединениях с более электроотрицательными фтором и кислородом он имеет положительные степени окисления.

Зная степени окисления элементов во всех соединениях, участвующих в реакции, всегда можно определить, происходит в процессе превращения изменение степеней окисления элементов или нет.

Если в реакции происходит изменение степени окисления хотя бы одного из элементов, то такие реакции относятся к окислительно-восстановительным, в противном случае — этообменные взаимодействия.

Практически все реакции с участием простых веществ являются окислительно-восстановительными (хотя обратный вывод будет неверным). Исключение составляют реакции перехода простых веществ из одной аллотропной модификации в другую:

В процессе передачи электронов в окислительно-восстановительной реакции участвуют два партнера: два вещества, или две частицы, или два атома внутри одной частицы. Вещество (или частица, атом, элемент), отдающее электроны, называется восстановителем; вещество (или частица, атом, элемент), принимающее электроны, называется окислителем:

В этих реакциях металлы — это восстановители, их атомы отдают электроны, а неметаллы — окислители, их атомы принимают электроны. В реакции.

окислитель — пероксид водорода, а восстановитель — сульфид свинца. Хотя можно сказать и так: окислитель — кислород в пероксиде водорода, а восстановитель — сульфидный анион в сульфиде свинца, или сера в степени окисления -2. В результате реакции восстановитель окисляется, а окислитель восстанавливается. Например, в реакции.

которая легко протекает в водном растворе, цинк является восстановителем и окисляется до иона Zn²*. Ион меди Си²* является окислителем и восстанавливается до металлической меди. Короче это можно сказать так: цинк восстанавливает ион Си²* до металла, при этом окисляется до иона Zn²*.

Восстановитель и окислитель могут входить в состав одной молекулы. Например, при нагревании диоксида азота азот в степени окисления +4 окисляет кислород в степени окисления -2 до свободного, а сам восстанавливается до N²⁺:

2N⁴⁺0²' = 2N^J*0^J+0®.

Восстановителем и окислителем может быть один и тот же элемент, если только он находится в промежуточной (не самой высокой и не самой низкой) степени окисления. Например, при растворении хлора в воде происходит реакция:

С1; + нао = нс1,' + ноа14,.

в которой один атом хлора выступает в роли окислителя, а другой — в роли восстановителя. Реакции такого типа называются реакциями диспропорционирования по степеням окисления.

Если восстановитель реагирует со смесью окислителей или окислитель реагирует со смесью восстановителей, то обычно такие реакции рассматривают как параллельные и каждую из них записывают отдельно. Но если два восстановителя образуют одно вещество, то несомненно именно его и следует считать участником реакции:

4Fe^J*S²‘ + 70® = 2Fe}*OJ" + 4S⁴*0²'.

В растворах окислительно-восстановительные реакции протекают, как правило, с участием растворителя и будут рассмотрены позже (см. гл. 18).

Окислительно-восстановительные реакции играют чрезвычайно важную роль в процессах жизнедеятельности — при фотосинтезе растений и при дыхании и питании животных; в технологических процессах — при сжигании топлива, при получении металлов, в подавляющем большинстве синтезов фармацевтических препаратов; при осуществлении любых электрохимических процессов; при приготовлении пищи и хранении продуктов и во многих других случаях.

Как окислительно-восстановительные, так и все прочие реакции удобно объединить в несколько типов, основываясь на особенностях протекания реакций: образовании сложных веществ из более простых, разложении сложных веществ на простые и т. д. Во многих случаях они имеют специфические групповые названия. Наиболее важные из них вместе с характерными примерами приведены ниже: