Степень окисления и электронный баланс
Степень окисления: правила и ловушки
Чтобы определить, какие атомы отдают и принимают электроны в химической реакции, используют степень окисления. Это условный заряд атома, который получился бы, если бы общие электронные пары полностью перешли к более электроотрицательным атомам. Между одинаковыми атомами общие электронные пары делят поровну. Таким образом, степень окисления помогает учитывать электроны, но не всегда совпадает с действительным зарядом атома. Сумма степеней окисления всех атомов равна заряду частицы: у нейтральной молекулы она равна нулю, у иона — заряду иона.
errorПероксиды, надпероксиды и озониды
При определении степени окисления кислорода необходимо учитывать связь между его атомами. В пероксидной группе \(\ce{-O-O-}\) общая электронная пара делится поровну, поэтому каждый атом кислорода имеет степень окисления \(-1\).
- Соединения \(\ce{H2O2}\), \(\ce{Na2O2}\) и \(\ce{BaO2}\) являются пероксидами; степень окисления кислорода в них равна \(-1\).
- Соединение \(\ce{KO2}\) является надпероксидом: средняя степень окисления кислорода в нём равна \(-\tfrac12\). Соединение \(\ce{KO3}\) является озонидом; для кислорода в нём эта величина равна \(-\tfrac13\).
- Соединение \(\ce{CrO5}\) называют пероксидом хрома. Запись \(\ce{CrO(O2)2}\) показывает, что в его составе есть две пероксидные группы; степень окисления хрома равна \(+6\), а не \(+10\).
- В кислоте Каро \(\ce{H2SO5}\) и пероксодисульфате калия \(\ce{K2S2O8}\) степень окисления серы равна \(+6\).
- Соединения \(\ce{PbO2}\), \(\ce{MnO2}\) и \(\ce{SnO2}\) являются диоксидами. Пероксидных групп в них нет, поэтому степень окисления Pb равна \(+4\), а Mn — \(+4\).
infoСмешанная валентность
Если атомы одного элемента в соединении имеют разные степени окисления, говорят о смешанной валентности. В \(\ce{Fe3O4}\) = \(\ce{FeO*Fe2O3}\) один атом железа имеет степень окисления \(+2\), а два — \(+3\); средняя степень окисления железа равна \(+\tfrac83\). В сурике \(\ce{Pb3O4}\) = \(\ce{2PbO*PbO2}\) два атома свинца имеют степень окисления +2, а один — +4. В тетратионате \(\ce{Na2S4O6}\) средняя степень окисления серы равна \(+2{,}5\): у двух концевых атомов она составляет \(+5\), а у двух мостиковых — 0.
boltКак отличить степень окисления от заряда частицы
Заряд иона относится ко всей частице и не равен степени окисления каждого её атома. Например, в положительном ионе \(\ce{NH4+}\) азот имеет степень окисления \(-3\), а в ионе \(\ce{[Fe(CN)6]^4-}\) степень окисления железа равна \(+2\). В нейтральной молекуле угарного газа \(\ce{CO}\) степень окисления углерода равна \(+2\). Для расчёта сначала укажите степени окисления атомов, для которых они известны, а затем найдите неизвестную величину по их сумме.
scienceНеобычные степени окисления
- \(\ce{K2Cr2O7 + 4H2O2 + H2SO4 -> 2CrO5 + K2SO4 + 5H2O}\) — при реакции образуется синий пероксид хрома, который переходит в эфирный слой; реакцию используют для качественного обнаружения хрома и пероксида.
- \(\ce{BaO2 + H2SO4 -> BaSO4 v + H2O2}\) — с помощью этой реакции в XIX веке получали пероксид водорода.
- \(\ce{4KO2 + 2CO2 -> 2K2CO3 + 3O2}\) — благодаря этой реакции надпероксид калия в дыхательных аппаратах и на подводных лодках поглощает углекислый газ и выделяет кислород.
Окислители и восстановители
При окислении атом отдаёт электроны, и его степень окисления повышается. При восстановлении атом принимает электроны, и его степень окисления понижается. Вещество, принимающее электроны, называют окислителем, а отдающее электроны — восстановителем. Поэтому в одной окислительно-восстановительной реакции всегда происходят оба процесса.
| 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 |
Направление изменения степени окисления помогает предсказать роль вещества в реакции. Атом в высшей степени окисления может только принимать электроны и выступать в роли окислителя; примеры — \(\ce{Mn^{+7}}\), \(\ce{Cr^{+6}}\) и \(\ce{N^{+5}}\). Атом в низшей степени окисления может только отдавать электроны и выступать в роли восстановителя; примеры — \(\ce{S^{-2}}\), \(\ce{N^{-3}}\) и \(\ce{I^-}\). Атом в промежуточной степени окисления может участвовать в обоих процессах. Поэтому свойства \(\ce{H2O2}\), \(\ce{SO2}\) и \(\ce{HNO2}\) зависят от второго участника реакции.
edit_noteДва свойства пероксида водорода
В реакции с иодидом пероксид водорода является окислителем: \(\ce{H2O2 + 2KI + H2SO4 -> I2 + K2SO4 + 2H2O}\). В реакции с перманганатом он является восстановителем: \(\ce{2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 -> 2MnSO4 + 5O2 ^ + K2SO4 + 8H2O}\).
auto_awesomeПрименение пероксида водорода
Реставраторы применяют пероксид водорода для восстановления цвета фресок: он окисляет чёрный \(\ce{PbS}\) потемневших свинцовых белил до белого \(\ce{PbSO4}\). В ракетах и торпедах концентрированный \(\ce{H2O2}\) разлагали на катализаторе, получая горячий пар и кислород.
scienceОкислительно-восстановительная двойственность
- \(\ce{SO2 + 2H2S -> 3S + 2H2O}\) — в этой реакции сернистый газ является окислителем.
- \(\ce{SO2 + Br2 + 2H2O -> H2SO4 + 2HBr}\) — в этой реакции сернистый газ является восстановителем.
- \(\ce{2HNO2 + 2HI -> 2NO + I2 + 2H2O}\) и \(\ce{5HNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5HNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}\) — в первой реакции азотистая кислота является окислителем, а во второй реакции она является восстановителем.
Электронный баланс
Чтобы расставить коэффициенты в окислительно-восстановительной реакции, применяют метод электронного баланса. Его основа — равенство числа электронов, отданных восстановителем и принятых окислителем. Расчёт проводят в следующем порядке:
- Определите степени окисления элементов и найдите те из них, которые изменяются.
- Подсчитайте, сколько электронов отдаёт восстановитель и принимает окислитель в расчёте на формульную единицу каждого вещества.
- Найдите наименьшее общее кратное полученных чисел электронов и по нему определите коэффициенты для участников окисления и восстановления.
- Расставьте остальные коэффициенты, учитывая число атомов металлов, кислотные остатки и водород. После этого проверьте число атомов кислорода.
edit_noteОбжиг пирита: окисляются два элемента
Рассмотрим реакцию \(\ce{FeS2 + O2 -> Fe2O3 + SO2}\). В пирите \(\ce{FeS2}\) присутствует дисульфид \(\ce{S2^2-}\), поэтому степень окисления каждого атома серы равна \(-1\). Железо изменяет степень окисления от \(+2\) до \(+3\) и отдаёт 1 электрон. Каждый атом серы изменяет её от \(-1\) до \(+4\) и отдаёт 5 электронов; два атома серы отдают 10 электронов. Следовательно, одна формульная единица \(\ce{FeS2}\) отдаёт 11 электронов, а молекула \(\ce{O2}\) принимает 4 электрона. Наименьшее общее кратное чисел 11 и 4 равно 44:
edit_noteОкисление сульфида мышьяка азотной кислотой
В реакции \(\ce{As2S3 + HNO3 -> H3AsO4 + H2SO4 + NO}\) окисляются и мышьяк, и сера. Мышьяк изменяет степень окисления от \(+3\) до \(+5\): два его атома отдают по 2 электрона, всего 4. Сера изменяет степень окисления от \(-2\) до \(+6\): три её атома отдают по 8 электронов, всего 24. Одна формульная единица сульфида мышьяка отдаёт 28 электронов. Азот изменяет степень окисления от \(+5\) до \(+2\) и принимает 3 электрона. После составления баланса и расстановки остальных коэффициентов получаем:
boltПроверка коэффициентов по кислороду
Коэффициент перед водой находят по числу атомов водорода. Затем отдельно проверяют число атомов кислорода в обеих частях уравнения. Если оно не совпадает, проверьте состав продуктов и подсчёт электронов.
scienceУравнения для тренировки
- \(\ce{3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O}\) — в этой реакции часть азотной кислоты выступает в роли окислителя, а остальная часть образует среду.
- \(\ce{2KMnO4 + 16HCl -> 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 ^ + 8H2O}\) — эту реакцию используют для лабораторного получения хлора.
- \(\ce{Cu2S + 12HNO3 (конц) -> Cu(NO3)2 + CuSO4 + 10NO2 ^ + 6H2O}\) — в этой реакции окисляются и медь, и сера.
push_pinГлавное
Степень окисления — условный заряд атома, который определяют, мысленно относя общие электронные пары к более электроотрицательным атомам. В пероксидной группе \(\ce{-O-O-}\) степень окисления кислорода равна \(-1\), поэтому в \(\ce{CrO5}\) хром имеет степень окисления \(+6\), а не \(+10\), а в \(\ce{H2SO5}\) и \(\ce{K2S2O8}\) степень окисления серы равна \(+6\). В соединениях со смешанной валентностью — \(\ce{Fe3O4}\), \(\ce{Pb3O4}\) и \(\ce{Na2S4O6}\) — средняя степень окисления элемента может быть дробной. Атом в высшей степени окисления может выступать только в роли окислителя, в низшей — только в роли восстановителя, а в промежуточной — в обеих ролях. При составлении электронного баланса число отданных электронов приравнивают к числу принятых; если окисляются два элемента, сначала складывают числа электронов, отданных их атомами.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.