Протекание химических реакций обусловлено обменом частицами между реагирующими веществами. Например, в реакции нейтрализации происходит обмен между катионами и анионами кислоты и основания, в результате чего образуется слабый электролит – вода:
H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2Н2О
Часто обмен сопровождается переходом электронов от одной частицы к другой. Так, при вытеснении цинком меди в растворе сульфата меди (II)
Zn(т) + CuSO4(р) = ZnSO4(р) + Сu (т)
электроны от атомов цинка переходят к ионам меди:
Zn(т)+ Си2+(р) = Zn2+(р) +Cu(т)
Процесс потери электронов частицей называют окислением, а процесс приобретения электронов — восстановлением. Окисление и восстановление протекают одновременно, поэтому взаимодействия, сопровождающиеся переходом электронов от одних частиц к другим, называют окислительно-восстановительными реакциями.
Передача электронов может быть и неполной. Например, в реакции
CH4(г) + 2Сl2(г) = C(т) + 4HCl(г)
Вместо малополярных связей С-Н появляются сильнополярные связи Н-С1.
Для удобства описания окислительно-восстановительных реакций используют понятие степени окисления, характеризующее состояние элемента в химическом соединении и его поведение в реакциях. Степень окисления – величина, численно равная формальному заряду, который можно приписать элементу, исходя из предположения, что все электроны каждой из его связи перешли к более электроотрицательному атому данного соединения. Используя понятие степени окисления, можно дать более общее определение процессов окисления и восстановления.
Окислительно-восстановительными называют химические реакции, которые сопровождаются изменением степеней окисления элементов участвующих в реакции веществ. При восстановлении степень окисления элемента уменьшается, при окислении — увеличивается. Вещество, в состав которого входит элемент, понижающий степень окисления, называют окислителем; вещество, в состав которого входит элемент, повышающий степень окисления, называют восстановителем.
Степень окисления элемента в соединении определяют в соответствии со следующими правилами:
· степень окисления элемента в простом веществе равна нулю;
· алгебраическая сумма всех степеней окисления атомов в молекуле равна нулю;
· алгебраическая сумма всех степеней окисления атомов в сложном ионе, а также степень окисления элемента в простом одноатомном ионе равна заряду иона;
· отрицательную степень окисления проявляют в соединении атомы элемента, имеющего наибольшую электроотрицательность;
· максимально возможная (положительная) степень окисления элемента соответствует номеру группы, в которой расположен элемент в Периодической системе Д.И. Менделеева.
Степени окисления атомов элементов в соединении записывают над символом данного элемента, указывая вначале знак степени окисления, а затем ее численное значение, например КМnО4.
Ряд элементов в соединениях проявляет постоянную степень окисления, что используют при определении степеней окисления других элементов:
· фтор, имеющий наивысшую среди элементов электроотрицательность, имеет степень окисления -1;
· водород проявляет степень окисления +1, кроме гидридов металлов (-1);
· металлы IA подгруппы имеют степень окисления +1;
· металлы IIА подгруппы, а также цинк и кадмий имеют степень окисления +2;
· степень окисления алюминия +3;
· степень окисления кислорода равна -2, за исключением соединений, в которых кислород присутствует в виде молекулярных ионов: О2+ – катиона диоксигенила, О2- – надпероксидного аниона, О22- – пероксидного аниона, О3- – озонидного аниона, а также фторидов кислорода OxF2.
Чтобы записать уравнение окислительно-восстановительной реакции, необходимо знать, как изменяются степени окисления элементов и в какие другие соединения переходят окислитель и восстановитель. Рассмотрим краткие характеристики наиболее часто употребляющихся окислителей и восстановителей.
Важнейшие окислители. Среди простых веществ окислительные свойства характерны для типичных неметаллов: фтора F2, хлора С12, брома Вr2, йода I2, кислорода О2.
