Окисники й відновники (теорія)

Для того, щоб скласти рівняння окисно-відновної реакції, потрібно добре знати властивості окисників і відновників.

Мета заняття:

  • усвідомити, які речовини можуть проявляти окисні властивості, а які – відновні;
  • навчитися визначати речовини окисники і відновники.

 

  • Пригадайте, які речовини називають окисниками, а які – відновниками.

Оскільки відновники – це речовини, що містять атоми, які втрачають електрони, то відновниками можуть бути

  • прості речовини неметали;
  • бінарні сполуки неметалічних елементів з металічними елементами та Гідрогеном;
  • метали та їх йони, здатні підвищувати свій ступінь окиснення;
  • складні йони металічних і неметалічних елементів, у яких вони мають проміжний ступінь окиснення.

Неметали (водень, сірка, вуглець, кремній, селен, фосфор та ін.), проявляють відновні властивості, віддаючи електрони при взаємодії з сильними окисниками, наприклад, у реакціях з киснем, галогенами, нітратною кислотою, концентрованою сульфатною кислотою тощо:

Р + 5НNO3 = H3PO4 + 5NO2↑ +  H2O.

Бінарні сполуки неметалічних елементів з Гідрогеном та металічними елементами – галогеніди, гідриди, карбіди, силіциди, фосфіди, нітриди, сульфіди, селеніди та ін. – є сильними відновниками, тому що в цих сполуках елементи знаходяться у нижчому ступені окиснення.

Якщо елементи відносяться до однієї і тієї ж групи періодичної системи Д. І. Менделєєва, то активність їх сполук з Гідрогеном збільшується зверху вниз. Так, гідроген телурид і телуриди є більш сильними відновниками, ніж гідроген селенід і селеніди, а останні – більш сильними відновниками, ніж гідроген сульфід і сульфіди. Аналогічним чином поводяться і галогеніди.

Одним і тим же окисником броміди і йодиди будуть окиснюватися значно легше, ніж хлориди. Наприклад концентрована сульфатна кислота не окиснює гідроген хлорид, але окиснює гідроген бромід і гідроген йодид. При цьому вона відновлюється гідроген бромідом до сульфур(ІV) оксиду, а гідроген йодидом до гідроген сульфіду:

2НBr + H2SO4 (конц.) = Br2 + SO2 + 2H2O

8HI + H2SO4 (конц.) = 4I2 + H2S + 4H2O

Негативно заряджені йони можуть окиснюватися як до вільних неметалів, так і до вищого ступеня окиснення в залежності від активності окисника. Наприклад, натрій йодид бромом окиснюється до вільного йоду, а гідроген пероксидом у лужному середовищі до натрій йодату:

2NaI + Br2 = I2 + 2NaBr

NaI + 3H2O2 = NaIO3 + 3H2O

Метали є досить сильними відновниками, тому що їхні атоми мають низьку електронегативність і легко втрачають електрони. Метали за активністю розміщують в електрохімічний ряд (ряд напруг).

Li K Ba Sr Ca Na Be Al Ti Mn V Cr Zn Ga Fe Co Ni Sn Pb H2 W Sb Bi Ge Cu Hg Ag Pd Pt Au

Відновні властивості простих речовин металів послаблюється в цьому ряду зліва на право.

Йони металічних елементів, що мають здатність підвищувати свій ступінь окиснення, наприклад Fe2+, Cu+, Cr3+, Sn2+, Hg+, Mn2+ та ін., в залежності від сили окисника і середовища можуть окиснюватись або до найвищого ступеня окиснення, або до проміжного, наприклад:

Mn2+ + 4Н2O − 5ē = MnO4 + 8Н+;

Mn2+ + 2Н2O − 2ē = MnO2 + 4Н+.

Відновні властивості також можуть проявляти складні молекули та йони, в яких елементи-відновники мають проміжні ступені окиснення, наприклад, нітроген(ІІ) оксид, карбон(ІІ) оксид, ферум(ІІ) оксид, сульфур(ІV) оксид, манган(ІV) оксид, сульфітна кислота та її солі, нітритна кислота та її солі, гідроген пероксид та інші. Значна частина цих сполук у залежності від властивостей речовин, із яким вони реагують, можуть проявляти як окисні, так і відновні властивості. Так, сульфур(ІV) оксид при взаємодії з окисниками (киснем, галогенами) виявляє відновні властивості, а при взаємодії з гідроген сульфідом – окисні.

SO2 + Cl2 + 2H2O = H2SO4 + 2HCl

SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O

Оскільки окисники – це речовини, що містять атоми, які приєднують електрони, то окисниками можуть бути

  • неметали;
  • катіони металічних елементів;
  • складні йони або молекули.

Атоми неметалічних елементів мають велику електронегативність, тому вони можуть приєднувати електрони до утворення восьмиелектронного шару або утворювати відповідну кількість спільних електронних пар. Найлегше приєднують електрони або утворюють спільні електронні пари елементи сьомої групи, найважче – елементи IV групи. Елементи п’ятої та шостої груп займають проміжне положення.

Процес відновлення неметалів схематично можна зобразити так:

Cl20 + 2ē = 2Cl;

N20 + 6ē = 2N3−;

S0 + 2ē = S2− та ін.

Катіони металічних елементів можуть приєднувати електрони і відновлюватись до простих речовин або до катіонів із меншими зарядами, наприклад:

Ag+ + ē = Ag;

Fe3+ + ē = Fe2+;

Fe2+ + = Fe.

Чим менш активний метал, тим легше його катіон приєднує електрони. Так, катіони Арґентуму приєднують електрони значно легше, ніж катіони Феруму, тому сполуки Арґентуму є більш сильними окисниками, ніж сполуки Феруму. Катіони лужних і лужноземельних елементів приєднують електрони тільки при електрохімічному відновленні. Окисниками в реакціях, що відбуваються в розчинах, вони бути не можуть.

До складних йонів, що є окисниками, відносяться аніони оксигеновмісних кислот, наприклад, утворених атомами галогенів (СlO4, ClO3, ClO2, ClO). Солі, що містять ці йони, є активними окисниками в кислому середовищі. При цьому галогени відновлюються до галогенідів:

KClO + 2KI +H2SO4 = KCl + I2 + K2SO4 + H2O;

ClO + 2Н+ + 2ē = Сl + Н2O;

KClO2 + 4KI +2H2SO4 = KCl + 2I2 + 2K2SO4 + 2H2O;

ClO2 + 4Н+ + 4ē = Сl + 2Н2O;

KClO3 + 6KI + 3H2SO4 = KCl + 3I2 + 3K2SO4 + 3H2O;

ClO3 + 6Н+ + 6ē = Сl + 3Н2O;

KClO4 + 8KI + 4H2SO4 = KCl + 4I2 + 4K2SO4 + 4H2O

СlO4 + 8Н+ + 8ē = Сl + 4Н2O.

Сильним окисником є калій перманганат (KMnO4), у складі кислотного залишку якого міститься Манган у вищому ступені окиснення +7.

Калій перманганат проявляє окисні властивості в кислому, в лужному і нейтральному середовищах. Залежно від середовища Манган відновлюється по-різному: в кислому середовищі – до катіону Mn2+, в нейтральному – манган(ІV) оксиду, а в лужному – до аніону манганату MnO42−:

5Na2SO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5Na2SO4 + K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O;

MnO4 + 8Н+ + 5ē = Mn2+ + 4Н2О;

3Na2SO3 + 2KMnO4 + H2O = 3Na2SO4 + 2MnO2 + 2KOH;

MnO4 + 2 Н2О + 3ē = MnO2 + 4ОН;

Na2SO3 + 2KMnO4 + 2KOH = Na2SO4 + 2K2MnO4 + H2O;

MnO4 + ē = MnO42−.

Сульфатна кислота містить Сульфур у вищому ступені окиснення (+6), тому концентрована сульфатна кислота має сильні окисні властивості, окисником, у цьому випадку   виступає атом Сульфуру. Тому при взаємодії концентрованої сульфатної кислоти з металами утворюються сульфат металічного елементу, вода і залежно від сили відновника:   сульфур(ІV) оксид, вільна сірка або гідроген сульфід.

Концентрована сульфатна кислота  може окиснювати не тільки метали, а й неметали. В цьому випадку Сульфур відновлюється до сульфур(ІV) оксиду, наприклад:

5H2SO4 + 2P = 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O

продукты восстановления нитратной кислоты

Нітратна кислота є сильним окисником і в концентрованих, і в розведених розчинах. Залежно від концентрації кислоти і сили відновника Нітроген може відновлюватись до ступеней окиснення +4, +2, +1, 0 і −3, при цьому утворюються нітроген(ІV) оксид (NO2), нітроген(ІІ) оксид (NO), нітроген(І) оксид (N2O), азот (N2),  або амоніак (NH3).

продукты восстановления нитратной кислоты

Неметали відновлюють нітратну кислоту до нітроген(ІV) оксиду. За кімнатної температури концентровані сульфатна і нітратна кислоти не взаємодіють з берилієм, алюмінієм, хромом, залізом, кобальтом і нікелем.

ВИСНОВКИ

Окисні та відновні властивості речовин залежать від ступеня окиснення елементів, які їх утворюють.

Елемент, який знаходиться у вищому ступені окиснення, проявляє тільки окисні властивості.

Елемент, який знаходиться у нижчому ступені окиснення, проявляє тільки відновні властивості.

Якщо елемент має проміжний ступень окиснення, то він може проявляти властивості окисника і відновника залежно від властивостей речовин, з якими реагує.

Окисні і відновні властивості речовин залежать від середовища, в якому проходить реакція.

 

Питання для самоперевірки.

  1. Що таке окисник, відновник?
  2. В яких випадках атоми можуть проявляти властивості: а) тільки окисника, б) тільки відновника, в) окисника і відновника?
  3. Чи можуть Mg, HNO2, HClO, S, Cr2O3 проявляти в реакціях властивості окисника? Відповідь обґрунтуйте.
  4. Охарактеризуйте, як впливає середовище на спрямованість протікання окисно-відновних реакцій на прикладі сполук Мангану.
  5. Як впливає концентрація нітратної і сульфатної кислот на характер їх взаємодії з металами?

 

Повернутися до сторінки “Окисники й відновники