Редокс свойства на съединенията. Електроотрицателност

Химичната реакция е процесът, при който изходните материали се превръщат в продукти на реакцията. Веществата, получени след края на реакцията, се наричат \u200b\u200bпродукти. Те могат да се различават от оригиналните по структура, състав или и двете.

Според промяната в състава се различават следните видове химически реакции:

• с промяна в състава (такива са мнозинството);
• без промяна на състава (изомеризация и трансформация на една алотропна модификация в друга).

Ако съставът на веществото не се промени в резултат на реакцията, тогава структурата му задължително се променя, например: Графитен диамант

Нека разгледаме по-подробно класификацията на химичните реакции, протичащи с промяна в състава.

I. По броя и състава на веществата

Реакции на съединението

В резултат на такива химични процеси едно вещество се образува от няколко вещества: A + B + ... \u003d C

Може да се свърже:

• прости вещества: 2Na + S \u003d Na2S;
• просто със сложно: 2SO2 + O2 \u003d 2SO3;
• два сложни: CaO + H2O \u003d Ca (OH) 2.
• повече от две вещества: 4Fe + 3O2 + 6H2O \u003d 4Fe (OH) 3

Реакции на разлагане

Едно вещество в такива реакции се разлага на няколко други: A \u003d B + C + ...

Продуктите в този случай могат да бъдат:

• прости вещества: 2NaCl \u003d 2Na + Cl2
• прости и сложни: 2KNO3 \u003d 2KNO2 + O2
• два сложни: CaCO3 \u003d CaO + CO2
• повече от два продукта: 2AgNO3 \u003d 2Ag + O2 + 2NO2

Реакции на заместване

Такива реакции, при които простите и сложни вещества реагират помежду си и атомите на простото вещество заместват атомите на един от елементите в комплекса, и се наричат \u200b\u200bреакции на заместване. Процесът на атомно заместване може да бъде показан схематично, както следва: A + BC \u003d B + AC.

Например, CuSO4 + Fe \u003d FeSO4 + Cu

Обменни реакции

Тази група включва реакции, по време на които две сложни вещества сменят частите си: AB + CD \u003d AD + CB. Според правилото на Berthollet необратимото протичане на такива реакции е възможно, ако поне един от продуктите:

• утайка (неразтворимо вещество): 2NaOH + CuSO4 \u003d Cu (OH) 2 + Na2SO4;
• леко дисоцииращо вещество: NaOH + HCl \u003d NaCl + H2O;
• газ: NaOH + NH4Cl \u003d NaCl + NH3 + H2O (първо се образува амонячен хидрат NH3 H2O, който при получаване веднага се разлага на амоняк и вода).

II. Термичен ефект

1. Екзотермична - процеси, протичащи с отделяне на топлина:
   C + O2 \u003d CO2 + Q
2. Ендотермичен - реакции, при които се абсорбира топлината:
   Cu (OH) 2 \u003d CuO + H2O - Q

III. Видове химически реакции в посока

1. Обратим се наричат \u200b\u200bреакции, които протичат едновременно, както в посока напред, така и в обратната посока: N2 + O2 ↔ 2NO
2. Необратимо процесите продължават до края, т.е. до изчерпване на поне едно от реагиращите вещества. Примери за необратими обменни реакции бяха обсъдени по-горе.

IV. Чрез наличието на катализатор

V. Според състоянието на агрегиране на веществата

1. Ако всички реагенти са в едно и също агрегатно състояние, реакцията се извиква хомогенен ... Такива процеси протичат изцяло. Например: NaOH + HCl \u003d NaCl + H2O
2. Хетерогенни се наричат \u200b\u200bреакции между веществата в различни агрегатни състояния, протичащи на границата. Например: Zn + 2HCl \u003d ZnCl2 + H2

Vi. Видове химически реакции за промяна на степента на окисление на реагентите

1. Редокс (ОВР) - реакции, при които степента на окисление на реагиращите вещества се променя.
2. Реакциите продължават без промяна на степента на окисление реактиви (BISO).

Процесите на горене и заместване винаги са редокс процеси. Метаболитните реакции протичат, без да променят степента на окисление на веществата. Всички други процеси могат да бъдат както OVR, така и BISO.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Окислително състояние е количествена оценка на състоянието на атом на химичен елемент в съединение въз основа на неговата електроотрицателност.

Приема както положителни, така и отрицателни стойности. За да посочите степента на окисление на даден елемент в съединение, трябва да поставите арабска цифра над неговия символ със съответния знак ("+" или "-").

Трябва да се помни, че степента на окисление е величина, която няма физическо значение, тъй като не отразява реалния заряд на атом. Тази концепция обаче се използва широко в химията.

Таблица на състоянието на окисление на химичните елементи

Максималните положителни и минимални отрицателни степени на окисление могат да бъдат определени с помощта на Периодичната таблица на D.I. Менделеев. Те са равни на номера на групата, в която се намира елементът и съответно на разликата между стойността на „най-високото“ ниво на окисление и числото 8.

Ако разгледаме по-конкретно химичните съединения, тогава в вещества с неполярни връзки степента на окисление на елементите е нула (N 2, H 2, Cl 2).

Степента на окисление на металите в елементарно състояние е нула, тъй като разпределението на електронната плътност в тях е еднакво.

В простите йонни съединения степента на окисление на съставните им елементи е равна на електрическия заряд, тъй като по време на образуването на тези съединения настъпва почти пълен преход на електрони от един атом в друг: Na +1 I -1, Mg +2 Cl -1 2, Al +3 F - 1 3, Zr +4 Br -1 4.

При определяне на степента на окисление на елементите в съединения с полярни ковалентни връзки се сравняват стойностите на тяхната електроотрицателност. Тъй като по време на образуването на химическа връзка електроните се изместват към атоми на повече електроотрицателни елементи, последните имат отрицателно окислително състояние в съединенията.

Има елементи, за които е характерна само една стойност на степента на окисление (флуор, метали от групи IA и IIA и др.). Флуорът, който има най-висока стойност на електроотрицателност, в съединенията винаги има постоянно отрицателно ниво на окисление (-1).

Алкалните и алкалоземните елементи, които се характеризират с относително ниска стойност на електроотрицателност, винаги имат положително окислително състояние, съответно на (+1) и (+2).

Съществуват обаче и такива химични елементи, които се характеризират с няколко стойности на степента на окисление (сяра - (-2), 0, (+2), (+4), (+6) и др.).

За да се улесни запомнянето колко и кои степени на окисление са характерни за даден химичен елемент, се използват таблици на степента на окисление на химичните елементи, които изглеждат така:

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

• Степента на окисление на фосфора във фосфина е (-3), а в ортофосфорната киселина - (+5). Промяна в степента на окисление на фосфора: +3 → +5, т.е. опция за първи отговор.
• Степента на окисление на химичен елемент в просто вещество е нула. Степента на окисление на фосфора в оксида на състава P 2 O 5 е (+5). Промяна в степента на окисление на фосфора: 0 → +5, т.е. трети вариант за отговор.
• Степента на окисление на фосфора в киселината от състава HPO 3 е (+5) и H3PO2 е (+1). Промяна в степента на окисление на фосфора: +5 → +1, т.е. пета опция за отговор.

ПРИМЕР 2

Една от основните концепции на неорганичната химия е концепцията за степента на окисление (CO).

Окислителното състояние на елемент в съединение е формалният заряд на атом на елемент, изчислен при предположението, че валентните електрони се прехвърлят към атоми с по-голяма относителна електроотрицателност (ЧЕРВЕНО) и всички връзки в молекулата на съединението са йонни.

Степента на окисление на елемента Е е посочена отгоре над символа на елемента със знак „+“ или „-“ пред числото.

Степента на окисление на действително съществуващи в разтвор или кристали йони съвпада с тяхното заредено число и се обозначава по подобен начин с „+“ или „“ след числото, например Ca 2+.

Методът Stock също се използва за определяне на степента на окисление с римски цифри след символа на елемента: Mn (VII), Fe (III).

Въпросът за знака за степента на окисление на атомите в молекулата се решава въз основа на сравнение на електроотрицателността на свързаните атоми, които образуват молекулата. В този случай атом с по-ниска електроотрицателност има положително състояние на окисление, а отрицателен с по-висока електроотрицателност.

Трябва да се отбележи, че степента на окисление не може да бъде приравнена на валентността на даден елемент. Валентността, определена като броят на химическите връзки, чрез които даден атом е свързан с други атоми, не може да бъде нула и няма знак „+“ или „„. Степента на окисление може да има както положителни, така и отрицателни стойности, както и нулеви или дори дробни стойности. И така, в молекулата CO 2 степента на окисление на C е +4, а в молекулата CH 4 степента на окисление на C е 4. Валентността на въглерода в двете съединения е IV.

Въпреки горните недостатъци, използването на концепцията за степента на окисление е удобно при класифициране на химични съединения и съставяне на уравнения за редокс реакции.

Редукционните реакции включват два взаимосвързани процеса: окисляване и редукция.

Чрез окисляване се нарича процесът на загуба на електрони. Възстановяване процесът на прикрепване на електрон.

Наричат \u200b\u200bсе вещества, чиито атоми или йони отдават електрони редуциращи агенти. Веществата, чиито атоми или йони прикачват електрони (или издърпват обща двойка електрони към себе си), се наричат оксиданти.

Когато елементът се окисли, степента на окисление се увеличава, с други думи редуциращият агент увеличава степента на окисление по време на реакцията.

Напротив, когато елементът е редуциран, степента на окисление намалява, т.е. по време на реакцията окислителят намалява степента на окисление.

По този начин може да се даде следната формулировка на окислително-възстановителните реакции: окислително-възстановителните реакции са реакции, които протичат с промяна в степента на окисление на атомите на елементите, съставляващи реагиращите вещества.

Окислителни и редуциращи агенти

За да се предскажат продуктите и посоката на окислително-редукционните реакции, е полезно да се помни, че типичните окислители са прости вещества, чиито атоми имат голям OER\u003e 3,0 (елементи от групите VIA и VIIA). От тях най-мощните окислители са флуор (OEO \u003d 4.0), кислород (OEO \u003d 3.0), хлор (OEO \u003d 3.5). Важните окислители включват PbO 2, KMnO 4, Ca (SO 4) 2, K 2 Cr 2 O 7 , HClO, HClO 3, KCIO 4, NaBiO 3, H 2 SO4 (конц.), HNO 3 (конц.), Na 2 O 2, (NH 4) 2 S 2 O 8, KCIO 3, H 2 O 2 и други вещества които съдържат атоми с по-висок или по-висок CO.

Типичните редуциращи агенти включват прости вещества, чиито атоми имат малък OEE< 1,5 (металлы IA и IIAгрупп и некоторые другие металлы). К важным восстановителям относятся H 2 S, NH 3 , HI, KI, SnCl 2 , FeSO 4 , C, H 2 , CO, H 2 SO 3 , Cr 2 (SO 4) 3 , CuCl, Na 2 S 2 O 3 и другие вещества, которые содержат атомы с низкими СО.

При съставянето на уравненията на окислително-възстановителните реакции могат да се използват два метода: методът на електронния баланс и йоно-електронният метод (метод на полуреакция). По-правилна представа за окислително-възстановителните процеси в разтвори дава йоно-електронният метод. С помощта на този метод се предвиждат промените, които действително съществуват в разтвора йони и молекули.

В допълнение към прогнозирането на реакционните продукти са необходими йонни уравнения за полуреакция за разбиране на окислително-възстановителните процеси, които се случват по време на електролиза и в галванични клетки. Този метод отразява ролята на околната среда като участник в процеса. И накрая, когато се използва този метод, не е необходимо да се знаят предварително всички образувани вещества, тъй като много от тях се получават чрез съставяне на уравнението на окислително-възстановителните реакции.

Трябва да се има предвид, че въпреки че полуреакциите отразяват реални процеси, протичащи по време на окислително-възстановителните реакции, те не могат да бъдат идентифицирани с реалните етапи (механизъм) на окислително-възстановителните реакции.

Естеството и посоката на окислително-възстановителните реакции се влияят от много фактори: естеството на реагиращите вещества, реакцията на средата, концентрацията, температурата, катализаторите.

Биологичното значение на редокс процесите

Важни процеси в животинските организми са реакциите на ензимно окисляване на субстратните вещества: въглехидрати, мазнини, аминокиселини. В резултат на тези процеси организмите получават голямо количество енергия. Приблизително 90% от общата енергийна нужда на възрастен мъж се покрива от енергията, произведена в тъканите по време на окисляването на въглехидратите и мазнините. Останалата част от енергията ~ 10% се осигурява от окислителното разграждане на аминокиселините.

Биологичното окисление протича по сложни механизми с участието на голям брой ензими. В митохондриите окислението възниква в резултат на пренасянето на електрони от органични субстрати. Като носители на електрони, дихателната верига на митохондриите включва различни протеини, съдържащи различни функционални групи, които са предназначени да носят електрони. Докато се движат по веригата от един междинен към друг, електроните губят свободна енергия. За всяка двойка електрони, прехвърлени в кислород по дихателната верига, се синтезират 3 молекули АТФ. Свободната енергия, отделена по време на прехвърлянето на 2 електрона към кислород, е 220 kJ / mol.

Синтезът на 1 АТФ молекула при стандартни условия отнема 30,5 kJ. Следователно е ясно, че доста значителна част от свободната енергия, освободена по време на трансфера на една двойка електрони, се съхранява в молекулите на АТФ. От тези данни става ясна ролята на многоетапния трансфер на електрони от първоначалния редуктор до кислород. Голямата енергия (220 kJ), отделена по време на прехвърлянето на една двойка електрони в кислород, се разгражда на редица части, съответстващи на отделните етапи на окисление. На три такива етапа количеството освободена енергия приблизително съответства на енергията, необходима за синтеза на 1 АТФ молекула.

Редукционните реакции включват тези, които са придружени от движението на електрони от една частица в друга. При разглеждане на закономерностите на хода на окислително-възстановителните реакции се използва концепцията за степента на окисление.

Окислително състояние

Концепция степен на окисление въведени, за да характеризират състоянието на елементите във връзките. Под степен на окисление се разбира условен заряд на атом в съединение, изчислен при предположението, че съединението се състои от йони... Степента на окисление се обозначава с арабска цифра със знак плюс, когато електроните се изместват от даден атом в друг атом, и със знак минус, когато електроните се изместват в обратна посока. Цифра със знак "+" или "-" се поставя над символа на елемента. Степента на окисление показва степента на окисление на атома и е просто удобна форма за отчитане на електронен трансфер: не трябва да се разглежда и като ефективен заряд на атома в молекулата (например в молекулата LiF ефективните заряди Li и F са съответно + 0,89 и -0 89, докато степента на окисление е +1 и -1), нито като валентност на елемента (например в съединенията CH 4, CH 3 OH, HCOOH, CO 2, валентността на въглерода е 4, а степента на окисление е съответно -4, -2, + 2, +4). Числените стойности на валентността и степента на окисление могат да съвпадат по абсолютна стойност само когато се образуват съединения с йонна структура.

При определяне на степента на окисление се използват следните правила:

Атомите на елементите, които са в свободно състояние или под формата на молекули на прости вещества, имат степен на окисление, равно на нула, например Fe, Cu, H2, N2 и т.н.

Степента на окисление на елемент под формата на едноатомен йон в съединение с йонна структура е равна на заряда на даден йон,

1 -1 +2 -2 +3 -1

например NaCl, Cu S, AlF 3.

Водородът в повечето съединения има степен на окисление +1, с изключение на металните хидриди (NaH, LiH), при които степента на окисление на водорода е -1.

Най-често срещаното степен на окисление на кислорода в съединенията е -2, с изключение на пероксидите (Na 2 O 2, H 2 O 2), при които степента на окисление на кислорода е –1 и F 2 O, при които степента на окисление на кислорода е +2.

За елементи с променливо окислително състояние стойността му може да бъде изчислена, като се знае формулата на съединението и като се вземе предвид, че алгебричната сума на окислителните състояния на всички елементи в неутрална молекула е нула. В сложен йон тази сума е равна на заряда на йона. Например, степента на окисление на хлорния атом в молекулата HClO 4, изчислена въз основа на общия заряд на молекулата \u003d 0, където x е степента на окисление на хлорния атом), е +7. Степента на окисление на серния атом в (SO 4) 2- [x + 4 (-2) \u003d -2] йон е +6.

Редокс свойства на веществата

Всяка редокс реакция се състои от процеси на окисляване и редукция. Окисление - това е процесът на отдаване на електрони от молекула на атом, йон или реагент. Вещества, които дават техните електрони по време на реакцията и се окисляват едновременно, наричат \u200b\u200bте редуциращи агенти.

Възстановяването е процес на приемане на електрони от атом, йонна или реактивна молекула.

Веществата, които приемат електрони и се редуцират едновременно, се наричат \u200b\u200bокислители.

Реакциите на окисление-редукция винаги протичат като един процес, наречен редокс реакция. Например, когато металът цинк взаимодейства с медни йони редуктор (Zn) дарява своите електрони окислител- медни йони (Cu 2+):

Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu

Медта се отделя върху повърхността на цинка и цинковите йони преминават в разтвор.

Редокс свойствата на елементите са свързани със структурата на техните атоми и се определят от позицията в периодичната система на D.I. Менделеев. Намаляващата способност на елемента се дължи на слабата връзка на валентните електрони с ядрото. Металните атоми, съдържащи малък брой електрони на външното енергийно ниво, са склонни да се откажат, т.е. лесно се окислява, играе ролята на редуциращи агенти. Най-силните редуциращи агенти са най-активните метали.

Критерий за редокс активността на елементите може да бъде стойността на тяхната относителна електроотрицателност: колкото по-висок е той, толкова по-изразена е окислителната способност на елемента и колкото по-ниска е, толкова по-ярка е неговата редуцираща активност. Неметалните атоми (например F, O) имат висок електронен афинитет и относителна електроотрицателност; те лесно приемат електрони, т.е. са окислители.

Редокс свойствата на даден елемент зависят от степента му на окисление. Същият елемент се отличава по-ниски, по-високи и междинни степени на окисление.

Като пример разгледайте сярата S и нейните съединения H2S, SO2 и SO3. Връзката между електронната структура на серния атом и неговите редокс свойства в тези съединения е ясно показана в Таблица 1.

В молекулата H2S серният атом има стабилна октетна конфигурация на външното енергийно ниво 3s 2 3p 6 и следователно вече не може да прикачва електрони, но може да ги дарява.

Състоянието на атома, в което той вече не може да приема електрони, се нарича най-ниското ниво на окисление.

В най-ниското окислително състояние атомът губи окислителната си способност и може да бъде само редуциращ агент.

Маса 1.

В молекулата SO 3 всички външни електрони на серния атом са изместени към кислородните атоми. Следователно в този случай сярният атом може да приема само електрони, проявяващи окислителни свойства.

Състоянието на атом, в което той се е отказал от всичките си валентни електрони, се нарича най-високото окислително състояние.Атом в най-високо степен на окисление може да бъде само окислител.

В молекулата SO 2 и елементарната сяра S, сярният атом се намира в междинни степени на окисление, т.е. имайки валентни електрони, атом може да ги отдаде, но без да има пълни r -подниво, може и да приема електрони преди завършването му.

Атом на елемент с междинно окислително състояние може да проявява както окислителни, така и редуциращи свойства, което се определя от ролята му в определена реакция.

Така например, ролята на сулфит - анион SO в следните реакции е различно:

5Na 2 SO 3 + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4  2MnSO 4 + 5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O (1)

H 2 SO 3 + 2 H 2 S  3 S + 3 H 2 O (2)

В реакция (1) сулфитен анион SO в присъствието на силно окислително средство KMnO 4 играе ролята на редуциращ агент; в реакция (2) сулфитен анион SO - окислител, тъй като H 2 S може да проявява само редуциращи свойства.

По този начин, сред сложни вещества реставратори може би:

1. Прости вещества, атомите на които имат ниски стойности на йонизационна енергия и електроотрицателност (по-специално метали).

2. Сложни вещества, съдържащи атоми в най-ниските степени на окисление:

З. Cl, Н2 С,нН 3

Na 2 СO 3, FeCl 2, Sn(НЕ 3) 2.

Окислителиможе би:

1. Простите вещества, чиито атоми имат високи стойности на електронен афинитет и електроотрицателност, са неметали.

2. Сложни вещества, съдържащи атоми в най-високо степен на окисление: +7 +6 +7

К MnO 4, K 2 Кр 2 O 7, HClO 4.

3. Сложни вещества, съдържащи атоми в междинни степени на окисление:

Na 2 СO 3, MnO 2, MnSO 4.

На тази основа се разграничават окислително-възстановителните реакции и реакциите, протичащи без промяна на степента на окисление на химичните елементи.

Те включват много реакции, включително всички реакции на заместване, както и тези съединения и реакции на разлагане, в които участва поне едно просто вещество, например:

Както си спомняте, коефициентите в сложните окислително-редукционни реакции се задават по метода на електронния баланс:

В органичната химия свойствата на алдехидите могат да служат като поразителен пример за редокс реакции.

1. Те \u200b\u200bсе редуцират до съответните алкохоли:

2. Алдехидите се окисляват до съответните киселини:

Същността на всички горепосочени примери на окислително-възстановителни реакции е представена с помощта на добре познатия метод на електронния баланс. Тя се основава на сравняване на степента на окисление на атомите в реагентите и реакционните продукти и на балансиране на броя на електроните в процесите на окисляване и редукция. Този метод се използва за формулиране на уравненията на реакциите, протичащи във всякакви фази. Това го прави гъвкав и удобен. Но в същото време има сериозен недостатък - когато се изразява същността на окислително-възстановителните реакции, протичащи в разтвори, се посочват частици, които в действителност не съществуват.

В този случай е по-удобно да се използва друг метод - методът на полуреакции. Тя се основава на изготвянето на йонно-електронни уравнения за процесите на окисляване и редукция, като се вземат предвид частиците от реалния живот и последващото им сумиране в общо уравнение. Този метод не използва понятието "степен на окисление" и продуктите се определят при извеждане на уравнението на реакцията.

Нека демонстрираме този метод с пример: ще съставим уравнението на окислително-редукционната реакция на цинк с концентрирана азотна киселина.

1. Записваме йонната схема на процеса, която включва само редуктора и продукта на неговото окисление, окислителя и продукта на неговото редуциране:

2. Съставяме йонно-електронното уравнение на процеса на окисляване (това е първата полуреакция):

3. Съставяме йонно-електронното уравнение на процеса на редукция (това е втората полуреакция):

Моля, обърнете внимание: електронно-йонните уравнения са съставени в съответствие със закона за запазване на масата и заряда.

4. Записваме уравненията на полуреакциите, така че броят на електроните между редуциращия агент и окислителя да бъде балансиран:

5. Нека обобщим уравненията на полуреакциите термин по член. Съставяме общото йонно уравнение на реакцията:

Проверяваме правилността на съставянето на реакционното уравнение в йонна форма:

• Спазване на равенството в броя на атомите на елементите и в броя на зарядите
  1. Броят на атомите на елементите трябва да бъде равен в лявата и дясната страна на уравнението на йонната реакция.
  2. Общият заряд на частиците от лявата и дясната страна на йонното уравнение трябва да бъде еднакъв.

6. Пишем уравнението в молекулярна форма. За да направите това, към йоните, включени в йонното уравнение, добавете необходимия брой йони с противоположен заряд.