Степень окисления и электронный баланс
Степень окисления: правила и ловушки
Степень окисления — условный заряд, который получил бы атом, если бы все связи были ионными (электроны отданы более электроотрицательному партнёру, а связи между одинаковыми атомами поделены поровну). Это бухгалтерия электронов, а не реальный заряд.
errorПероксиды, надпероксиды, озониды
В пероксидной группе \(\ce{-O-O-}\) связь между атомами кислорода делится поровну, и каждый имеет \(-1\):
- \(\ce{H2O2}\), \(\ce{Na2O2}\), \(\ce{BaO2}\) — пероксиды, O \(-1\);
- \(\ce{KO2}\) — надпероксид, O \(-\tfrac12\); \(\ce{KO3}\) — озонид, O \(-\tfrac13\);
- \(\ce{CrO5}\) — «пероксид хрома» \(\ce{CrO(O2)2}\): хром \(+6\) (не \(+10\)!);
- \(\ce{H2SO5}\) (кислота Каро) и \(\ce{K2S2O8}\) (пероксодисульфат) — сера \(+6\).
А вот \(\ce{PbO2}\), \(\ce{MnO2}\), \(\ce{SnO2}\) — диоксиды, пероксидной группы в них нет: Pb \(+4\), Mn \(+4\).
infoСмешанная валентность
В \(\ce{Fe3O4}\) = \(\ce{FeO*Fe2O3}\) один атом железа \(+2\) и два \(+3\) (средняя \(+\tfrac83\)). В сурике \(\ce{Pb3O4}\) = \(\ce{2PbO*PbO2}\) — два \(\ce{Pb^{+2}}\) и один \(\ce{Pb^{+4}}\). В тетратионате \(\ce{Na2S4O6}\) средняя степень окисления серы \(+2{,}5\): два концевых атома \(+5\), два мостиковых — 0.
boltСтепень окисления ≠ заряд частицы
В \(\ce{NH4+}\) азот \(-3\), хотя ион положителен; в \(\ce{[Fe(CN)6]^4-}\) железо \(+2\); в угарном газе \(\ce{CO}\) углерод \(+2\), хотя молекула нейтральна. Сначала запишите степени окисления «известных» атомов, потом найдите неизвестную из суммы.
scienceНеобычные степени окисления
- \(\ce{K2Cr2O7 + 4H2O2 + H2SO4 -> 2CrO5 + K2SO4 + 5H2O}\) — синий пероксид хрома в эфирном слое: качественная реакция на хром и пероксид.
- \(\ce{BaO2 + H2SO4 -> BaSO4 v + H2O2}\) — так получали пероксид водорода в XIX веке.
- \(\ce{4KO2 + 2CO2 -> 2K2CO3 + 3O2}\) — надпероксид калия в дыхательных аппаратах и на подводных лодках поглощает углекислый газ и выделяет кислород.
Окислители и восстановители
Окислитель принимает электроны (его степень окисления понижается), восстановитель отдаёт (повышается).
| Типичные окислители | Типичные восстановители |
|---|---|
| \(\ce{KMnO4}\), \(\ce{K2Cr2O7}\), \(\ce{PbO2}\), \(\ce{NaBiO3}\) | металлы, \(\ce{H2}\), \(\ce{C}\), \(\ce{CO}\) |
| \(\ce{HNO3}\), \(\ce{H2SO4}\) (конц.) | \(\ce{H2S}\), \(\ce{S^2-}\), \(\ce{I-}\), \(\ce{Br-}\) |
| \(\ce{O2}\), \(\ce{O3}\), \(\ce{F2}\), \(\ce{Cl2}\) | \(\ce{SO2}\), \(\ce{SO3^2-}\), \(\ce{NO2-}\) |
| \(\ce{H2O2}\), \(\ce{(NH4)2S2O8}\), \(\ce{Fe^3+}\) | \(\ce{Fe^2+}\), \(\ce{Sn^2+}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{N2H4}\), гидриды |
Правило: атом в высшей степени окисления может быть только окислителем (\(\ce{Mn^{+7}}\), \(\ce{Cr^{+6}}\), \(\ce{N^{+5}}\)), в низшей — только восстановителем (\(\ce{S^{-2}}\), \(\ce{N^{-3}}\), \(\ce{I^-}\)), в промежуточной — и тем и другим (\(\ce{H2O2}\), \(\ce{SO2}\), \(\ce{HNO2}\)).
edit_noteДвуликий пероксид водорода
С иодидом — окислитель: \(\ce{H2O2 + 2KI + H2SO4 -> I2 + K2SO4 + 2H2O}\). С перманганатом — восстановитель: \(\ce{2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 -> 2MnSO4 + 5O2 ^ + K2SO4 + 8H2O}\).
auto_awesomeРеставраторы и пероксид
Пероксид водорода окисляет чёрный \(\ce{PbS}\) потемневших свинцовых белил в белый \(\ce{PbSO4}\) — и возвращает цвет фрескам. А в ракетах и торпедах концентрированный \(\ce{H2O2}\) разлагали на катализаторе, получая горячий пар и кислород.
scienceОкислительно-восстановительная двойственность
- \(\ce{SO2 + 2H2S -> 3S + 2H2O}\) — сернистый газ как окислитель.
- \(\ce{SO2 + Br2 + 2H2O -> H2SO4 + 2HBr}\) — как восстановитель.
- \(\ce{2HNO2 + 2HI -> 2NO + I2 + 2H2O}\) и \(\ce{5HNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5HNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}\) — азотистая кислота в двух ролях.
Электронный баланс
Метод электронного баланса: 1) найти элементы, меняющие степень окисления; 2) записать, сколько электронов отдаёт восстановитель и принимает окислитель в расчёте на формульную единицу; 3) уравнять электроны наименьшим общим кратным; 4) расставить остальные коэффициенты (металлы, кислотные остатки, водород, кислород — проверка).
edit_noteОбжиг пирита — окисляются два элемента
\(\ce{FeS2 + O2 -> Fe2O3 + SO2}\). В \(\ce{FeS2}\) (дисульфид \(\ce{S2^2-}\)): Fe \(+2 \to +3\) (1 e), S \(-1 \to +4\) (5 e × 2 = 10 e). На формулу \(\ce{FeS2}\) — 11 e. Кислород: \(\ce{O2}\) принимает 4 e. НОК(11, 4) = 44:
edit_noteСульфид мышьяка и азотная кислота
\(\ce{As2S3 + HNO3 -> H3AsO4 + H2SO4 + NO}\): As \(+3 \to +5\) (2 × 2 = 4 e), S \(-2 \to +6\) (3 × 8 = 24 e), всего 28 e; N \(+5 \to +2\) (3 e):
boltПроверка по кислороду
Коэффициенты у воды находят по водороду, а кислород — это независимая проверка. Если кислород не сошёлся, ошибка в электронах или в продуктах.
scienceУравнения для тренировки
- \(\ce{3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O}\) — часть кислоты — окислитель, часть — среда.
- \(\ce{2KMnO4 + 16HCl -> 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 ^ + 8H2O}\) — лабораторный хлор.
- \(\ce{Cu2S + 12HNO3 (конц) -> Cu(NO3)2 + CuSO4 + 10NO2 ^ + 6H2O}\) — окисляются медь и сера.
push_pinГлавное
Степень окисления — условный заряд атома при полностью ионных связях. Атомы кислорода в пероксидной группе \(\ce{-O-O-}\) имеют \(-1\): в \(\ce{CrO5}\) хром \(+6\), а не \(+10\); в \(\ce{H2SO5}\) и \(\ce{K2S2O8}\) сера \(+6\). В соединениях со смешанной валентностью (\(\ce{Fe3O4}\), \(\ce{Pb3O4}\), \(\ce{Na2S4O6}\)) средняя степень окисления может быть дробной. Высшая степень окисления — только окислитель, низшая — только восстановитель, промежуточная — и то и другое. В электронном балансе число отданных электронов равно числу принятых; если окисляются два элемента, их электроны складывают.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.