Лекція по темі «окислювально-відновні реакції
Електрохімічні властивості металів.
1. Теорія ОВР
До окислювально-відновних реакцій відносяться такі, які супроводжуються переміщенням електронів від одних частинок до інших. При розгляді закономірностей протікання окислювально-відновних реакцій використовується поняття ступеня окислення.
Ступінь окислення
Поняття ступеня окислення введено для характеристики стану елементів в з'єднаннях. Під ступенем окислення розуміється умовний заряд атома в з'єднанні, обчислений виходячи з припущення, що з'єднання складається з іонів. Ступінь окислювання позначається арабською цифрою із знаком плюс при зміщенні електронів від даного атома до іншого атому і цифрою зі знаком мінус при зміщенні електронів в зворотному напрямку. Цифру зі знаком "+" або "-" ставлять над символом елемента. Ступінь окислення вказує стан окислення атома і являє собою всього лише зручну форму для обліку перенесення електронів: її не слід розглядати ні як ефективний заряд атома в молекулі (наприклад, в молекулі LiF ефективні заряди Li і F дорівнюють відповідно + 0,89 і -0, 89, тоді як ступеня окислення +1 і -1), ні як валентність елемента (наприклад, в з'єднаннях CH4. CH3 OH, HCOOH, CO2 валентність вуглецю дорівнює 4, а ступеня окислення відповідно рівні -4, -2, +2, + 4). Чисельні значення валентності та ступені окислення можуть збігатися по абсолютній величині лише при утворенні сполук з іонним структурою.
При визначенні ступеня окислення використовують такі правила:
Атоми елементів, що знаходяться у вільному стані або у вигляді молекул простих речовин, мають ступінь окислення, рівну нулю, наприклад Fe, Cu, H2. N2 і т.п.
Ступінь окислювання елемента у вигляді одноатомного іона в з'єднанні, що має іонну будову, дорівнює заряду даного іона,
наприклад, NaCl. Cu S, AlF3.
Водень в більшості з'єднань має ступінь окислення +1, за винятком гідридів металів (NaH, LiH), в яких ступінь окислення водню дорівнює -1.
Найбільш поширена ступінь окислення кисню в сполуках -2. за винятком пероксидів (Na2 O2. Н2 О2), в яких ступінь окислювання кисню дорівнює -1 і F2 O, в якому ступінь окислювання кисню дорівнює +2.
Для елементів з непостійною ступенем окислення її значення можна розрахувати, знаючи формулу сполуки і враховуючи, що алгебраїчна сума ступенів окислення всіх елементів в нейтральній молекулі дорівнює нулю. У складному йоні ця сума дорівнює заряду іона. Наприклад, ступінь окислення атома хлору в молекулі HClO4. обчислена виходячи з сумарного заряду молекули [1 + x + 4 (-2)] = 0, де х - ступінь окислення атома хлору), дорівнює +7. Ступінь окислювання атома сірки в йоні (SO4) 2- [х + 4 (-2) = -2] дорівнює +6.
Окислювально-відновні властивості речовин
Будь-яка окисно-відновна реакція складається з процесів окислення і відновлення. Окислення - це процес віддачі електронів атомом, іоном або молекулою реагента. Речовини, які отдаютсвоі електрони в процесі реакції і при цьому окислюються, називаютвосстановітелямі.
Відновлення - це процес прийняття електронів атомом, іоном або молекулою реагента.
Речовини, які беруть електрони і при цьому відновлюються, називають окислювачами.
Реакції окислення-відновлення завжди протікають як єдиний процес, званий окислювально-відновної реакцією. Наприклад, при взаємодії металевого цинку з іонами міді відновник (Zn) віддає свої електрони окислювача - іонів міді (Cu 2+):
Zn + Cu 2+
Мідь виділяється на поверхні цинку, а іони цинку переходять в розчин.
Окислювально-відновні властивості елементів пов'язані з будовою їх атомів і визначаються положенням в періодичній системі Д.І. Менделєєва. Відновлювальна здатність елемента обумовлена слабким зв'язком валентних електронів з ядром. Атоми металів, що містять на зовнішньому енергетичному рівні невелике число електронів схильні до їх віддачі, тобто легко окислюються, граючи роль відновників. Найсильніші відновники - найбільш активні метали.
Критерієм окислювально-відновної активності елементів може служити величина їх відносної електронегативності. чим вона вища, тим сильніше виражена окислювальна здатність елемента, і чим нижче, тим яскравіше проявляється його відновна активність. Атоми неметалів (наприклад, F, O) володіють високим значенням спорідненості до електрону і відносної електронегативності, вони легко приймають електрони, тобто є окислювачами.
Окислювально-відновні властивості елемента залежать від ступеня його окислення. У одного і того ж елемента розрізняють нижчу, вищу і проміжні ступені окислення.
Як приклад розглянемо сірку S і її з'єднання H2 S, SO2 і SO3. Зв'язок між електронною структурою атома сірки і його окислювально-відновні властивості в цих з'єднаннях наочно представлена в таблиці 1.
У молекулі H2 S атом сірки має стійку октетное конфігурацію зовнішнього енергетичного рівня 3s 2 3p 6 і тому не може більше приєднувати електрони, але може їх віддавати.
Стан атома, в якому він не може більше приймати електрони, називається нижчої ступенем окислення.
В нижчого ступеня окислення атом втрачає окислительную здатність і може бути тільки відновником.