Принципы расчёта степеней окисления

1.Степень окисления элементов в простых веществах равна 0: Н₂⁰, О₂⁰, Fe⁰.

2. В соединениях степень окисления кислорода «-2» (кроме пероксидов, например, Н₂О₂^-1), водорода «+1» (кроме ионных гидридов. например, КН^-1).

3. Степень окисления иона равна заряду этого иона: К⁺¹, Са⁺², SO₄^-2 (заряды ионов «подсказывает» таблица растворимости).

4. Алгебраическая сумма степеней окисления всех элементов в соединении равна 0, в ионе – заряду этого иона:

H₂⁺¹S^xO₄^-2: 2▪(+1) +x +4▪(-2) =0 x=+6 степень окисления серы +6;

K⁺¹ Mn^x O₄^-2: (+1) +x +4▪(-2) =0 x = +7 степень окисления марганца +7;

NH₄⁺: x + 4▪(+1) = +1 x = -3 степень окисления азота -3;

NO₃^- : x + 3▪(-2) = -1 x = +5 степень окисления азота +5.

В органических соединениях принципы расчётов степеней окисления несколько иные. Например, в соединении «формальдегид» СН₂О степень окисления углерода 0; в соединении «этиловый спирт» СН₃СН₂ОН у атома углерода, связанного с гидроксогруппой ОН, степень окисления «-1», а в группе СН₃ – «-3». Чтобы подсчитать степень окисления, нужно прировнять к 0 общий заряд каждого фрагмента углеродной цепи – каждого атома углерода вместе с теми атомами, которые с ним связаны. В случае формальдегида СН₂О приравниваем к 0 заряд всей молекулы: известно, что степень окисления кислорода «-2», водорода «+1», но водорода 2 атома, и вместе они дают заряд «+2», полностью компенсирующий отрицательный заряд кислорода, поэтому у углерода получается степень окисления 0. В случае этилового спирта отдельно приравниваем к 0 заряды групп СН₂ОН и СН₃. В первом случае 1 атом кислорода (-2) и 3 атома водорода (+3) дают общий заряд «+1», и углерод, чтобы группа в целом имела заряд 0, должен иметь заряд «-1». В группе СН₃ 3 атома водорода имеют общий заряд «+3», и углерод вкладывает в заряд группы «-3», чтобы в целом получился 0. Рассмотрим ещё пример с 3-хлорпропановой кислотой СН₂СlСН₂СООН. Фрагменты углеродной цепи – СООН, СН₂ и СН₂Сl (каждый атом углерода вместе с теми атомами, которые с ним связаны), заряд каждого фрагмента приравнивается к 0. В группе СООН 2 атома кислорода (-2 х 2= - 4) и 1 атом водорода (+1) имеют общий заряд «- 3», атом углерода для погашения заряда должен иметь заряд «+3». В группе СН₂ 2 атома водорода имеют общий заряд «(+1)х2=+2», атом углерода для погашения заряда должен иметь заряд «-2». В группе СН₂Сl 2 атома водорода (+1х2=+2) и 1 атом хлора (-1) имеют общий заряд «+1», атом углерода для погашения их заряда должен иметь заряд «-1». Степени окисления всех трёх атомов углерода различны, но валентность у них одинаковая – lV.

. В окислительно-восстановительных реакциях обязательно есть 2 участника: восстановитель и окислитель. Восстановитель – элемент, атомы которого отдают электроны. Этот процесс называется окислением. Степень окисления восстановителя в ходе окислительно-восстановительной реакции (ОВР) повышается. Вещество, содержащее элемент-восстановитель, тоже называется восстановителем. Окислитель – элемент, атомы которого принимают электроны. Этот процесс называется восстановлением. Степень окисления окислителя в ходе ОВР понижается. Вещество, содержащее элемент-окислитель, тоже называется окислителем.

    При ОВР соблюдается принцип электронного баланса: число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем.

    Электронный баланс является основой для расстановки коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций.

Рассмотрим одновременно порядок работы с уравнениями ОВР и их классификацию.

1. Межмолекулярные ОВР: окислитель и восстановитель – элементы разных веществ: Al⁰ + S⁰ à Al₂⁺³S₃^-2 индексы в продукте реакции подобраны так, чтобы положительные и отрицательные заряды были равны.

восстановитель Al⁰ – 3e à Al⁺³ | 2 – окисление

окислитель     S⁰ – 2e à S^-2 | 3 - восстановление

Наименьшее общее кратное между числом отданных и принятых электронов равно 6, на восстановитель идёт коэффициент 2(6:3), на окислитель – коэффициент 3 (6:2). Коэффициенты, полученные из электронного баланса, показывают, что в реакции участвует 2 атома алюминия и 3 атома серы. В левой части уравнения нужное количество атомов нужно обеспечить коэффициентами, а в правой они уже обеспечены индексами: 2Al + 3S à Al₂S₃

2. Внутримолекулярные ОВР: окислитель и восстановитель – элементы одного вещества:

K⁺¹Cl⁺⁵O₃^-2 à K⁺¹Cl^-1 + O₂⁰

восстановитель: 2О^-2 -4e à O₂⁰ | 3 – окисление

окислитель:      Сl⁺⁵ +6e à Cl^-1| 2 – восстановление

Наименьшее общее кратное от числа отданных и принятых электронов (4 и 6) – 12. К восстановителю идёт коэффициент 3 (12:4), к окислителю – коэффициент 2 (12:6)

С кислородом работали на 2 атома, так как простое вещество кислород имеет 2-х атомные молекулы. Записывается «2О^-2», так как одноимённо заряженные частицы нельзя соединять индексами, они отталкиваются. В электронном балансе всегда работают на 2 атома, если в реакции участвует простое вещество, имеющее 2-хатомные молекулы.

Коэффициенты показывают, что в реакции участвует 2 атома хлора и 6 атомов кислорода (2атома▪коэффициент 3), или 3 молекулы вещества кислород: 2KClO₃ à 2KCl + 3O₂↑ - реакция протекает в присутствии катализатора MnO₂.

3. Реакции диспропорционирования: один элемент из промежуточной степени окисления переходит одновременно в более высокую и более низкую:

Cl₂⁰ + 2KOH à KCl^-1 + KCl⁺¹O

4. Реакции конпропорционирования: один элемент из высокой и низкой степени окисления переходит в промежуточную:

N^-3H₄N⁺³ O₂ à N₂⁰ + 2H₂O

На протекание окислительно-восстановительных реакций оказывает влияние ряд факторов: концентрация растворов. температура, присутствие катализатора, среда раствора.

    Влияние концентрации: азотная кислота при взаимодействии с медью в зависимости от концентрации восстанавливается до разных продуктов: концентрированная азотная кислота образует NO₂ (бурый газ), разбавленная - NO (бесцветный газ):

Cu⁰ + HN⁺⁵ O_{3 конц} à Cu⁺² (NO₃)₂ + N⁺⁴ O₂↑ + H₂O

восстановитель Cu⁰ – 2e à Cu⁺² | 1 - окисление

окислитель      N⁺⁵ +1e à N⁺⁴ | 2 - восстановление

Коэффициент 2 относится только к NO₂. В Cu (NO₃)₂ (и вообще во всех нитратах) степень окисления азота такая же, как в азотной кислоте –«+5», поэтому коэффициент из баланса к нитратам не относится. К азотной кислоте ставится суммарный коэффициент, с учётом и NO₂, и

 Cu (NO₃)₂, - 4 (2 NO₂  и 2 в Cu (NO₃)₂). Раз перед азотной кислотой коэффициент 4, для выравнивания водорода перед водой коэффициент 2:

Cu +4 HN O_{3 конц} à Cu (NO₃)₂ + 2N O₂↑ + 2H₂O

Не забываем проверить число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения: по 12.

Cu⁰ + HN⁺⁵ O_{3 разб} à Cu⁺² (NO₃)₂ + N⁺² O↑ + H₂O

восстановитель Cu⁰ – 2e à Cu⁺² | 3 - окисление

окислитель      N⁺⁵ +3e à N⁺² | 2 - восстановление

Коэффициент 2 относится к NO, 3 – к Cu и к Cu (NO₃)₂. К азотной кислоте ставится суммарный коэффициент, с учётом и NO, и

 Cu (NO₃)₂, - 8 (2 NO  и 6 в 3Cu (NO₃)₂). Раз перед азотной кислотой коэффициент 8, для выравнивания водорода перед водой коэффициент 4:

3Cu +8 HN O_{3 разб} à3 Cu (NO₃)₂ + 2N O↑ + 4H₂O

Кислорода слева 24 (8▪30), справа 24 (3▪3▪2 =18 + 2+4).

    Обратите внимание, что при взаимодействии кислот-окислителей (азотной в любой концентрации и концентрированной серной) с металлами никогда не выделяется водород; образуются соли, продукт восстановления, в наших примерах N O и NO₂, и вода.

    2. Влияние среды: один из самых  окислителей перманганат калия КMnО₄ в зависимости от среды восстанавливается до разных продуктов:

Среда	Продукты восстановления КMnО4	Признаки реакций
кислая (чаще всего создаётся H2SO4)	MnSO4 + K2SO4 + H2O	обесцвечивание раствора
нейтральная (Н2О)	MnO2 + KOH	тёмный осадок
щелочная (КОН)	K2MnO4 манганат калия	изумрудно- зелёное окрашивание

Na₂S⁺⁴ O₃ + КMn⁺⁷ О₄ + H₂SO₄ à Na₂S⁺⁶ O₄ + Mn⁺² SO₄ + K₂SO₄ + H₂O

восстановитель S⁺⁴  - 2e à S⁺⁶ | 5 окисление

окислитель      Mn⁺⁷ +5e à Mn⁺² |2 восстановление

К сульфиту и сульфату натрия из баланса идёт коэффициент 5, к перманганату калия 2. перед сульфатом калия коэффициент не требуется, так как калий выровнен:

5Na₂SO₃ + 2КMn О₄ + H₂SO₄ à5 Na₂S O₄ +2 Mn SO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Далее считаем кислотные остатки SO₄ (без Na₂S O₄. так как он образуется из Na₂SO₃): 3 SO₄ правой части уравнения. Значит, перед H₂SO₄ коэффициент 3. В левой части водород только в серной кислоте. в правой – только в воде, значит, и перед водой коэффициент 3:

5Na₂SO₃ + 2КMn О₄ + 3H₂SO₄ à5 Na₂S O₄ +2 Mn SO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

Проверяем количество атомов кислорода: и слева, и справа по 35 атомов.

    Нейтральная среда:

Na₂S⁺⁴ O₃ + КMn⁺⁷ О₄ + Н₂О à Na₂S⁺⁶ O₄+ Mn⁺⁴ O₂↓ + KOH

восстановитель S⁺⁴ -2e à S⁺⁶ |3 окисление

окислитель    Mn⁺⁷ + 3e à Mn⁺⁴|2 восстановление

К сульфиту и сульфату натрия из баланса идёт коэффициент 3, к перманганату калия 2. Для выравнивания марганца перед оксидом марганца нужен коэффициент 2, для выравнивания калия – 2 перед гидроксидом калия:

3Na₂S O₃ + 2КMn О₄ + Н₂О à3 Na₂S O₄+2 Mn O₂↓ + 2KOH

Водород выровнен. Проверяем кислород: по 18 атомов слева и справа.

    Щелочная среда

Na₂S⁺⁴ O₃ + КMn⁺⁷ О₄ + КОН à Na₂S⁺⁶ O₄ + K₂Mn⁺⁶ O₄ + Н₂О

восстановитель S⁺⁴  - 2e à S⁺⁶ | 1 окисление

окислитель      Mn⁺⁷ +1e à Mn⁺⁶ |2 восстановление

К сульфиту и сульфату натрия из баланса коэффициенты не идут. К перманганату и манганату калия нужны коэффициенты 2. Для выравнивания калия коэффициент 2 нужен перед КОН. Водород выровнен.

Na₂S O₃ + 2КMn О₄ + 2КОН à Na₂S O₄ + 2K₂Mn O₄ + Н₂О

 Проверяем кислород: по 13 атомов слева и справа.

    Обратите внимание, что сульфит натрия как восстановитель окисляется в сульфат натрия.

    Влияние температуры:

На прошлом уроке мы рассмотрели реакцию:

2KClO₃ --t↑ MnO₂à 2KCl + 3O₂↑

    Это один из лабораторных способов получения кислорода. Реакция протекает в присутствии в качестве катализатора оксида марганца (lV). Без катализатора кислород при реакции не образуется:

4KClO₃ --t↑à 3 KClO₄ + KCl

KClO₃ –хлорат калия («бертоллетова соль»).

KClO₄ – перхлорат калия.

    Постарайтесь запомнить оба случая разложения хлората калия, они часто встречаются в заданиях ЕГЭ.

    Влияние температуры:

    На прошлом уроке мы познакомились ещё с одной реакцией, которую нужно постараться запомнить: Cl₂ + 2KOH à KCl + KClO + H₂O

Так реакция протекает с холодной щёлочью. При нагревании вместо KClO (гипохлорита калия) образуется KClO₃ –хлорат калия:

3Cl₂ + 6KOH à 5KCl + KClO₃ + 3H₂O