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+1SxO4-2: 2▪(+1) +x +4▪(-2) =0 x=+6 степень окисления серы +6;
K+1 Mnx 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 O3 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 O3 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 O3 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 O3 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
