§ 18.1. Окислительно-восстановительные реакции. Важнейшие окислители и восстановители. Окислительно-восстановительные процессы в природе, технике, быту

Окислитель — это вещество, в состав которого входят атомы, присоединяющие к себе электроны в процессе химической реакции. Во время реакции эти атомы восстанавливаются, при этом их степень окисления понижается.

Окислительные свойства наиболее выражены у веществ, со свойствами которых вы уже знакомы или познакомитесь далее:

• • простые вещества — галогены, кислород и озон;
• • пероксид водорода «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«/math», восстанавливаются атомы кислорода в степени окисления −1;
• • концентрированная серная кислота, восстанавливаются атомы серы в степени окисления +6;
• • азотная кислота и нитраты, восстанавливаются атомы азота в степени окисления +5;
• • кислоты (галогеноводородные, фосфорная, разбавленная серная), восстанавливаются атомы водорода в ионе водорода;
• • кислородсодержащие кислоты хлора и их соли («math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mover»«mi»Cl«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«/math», «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mover»«mi»Cl«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»5«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«/math»), восстанавливаются атомы хлора;
• • соединения марганца в высших степенях окисления («math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mi»Mn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»4«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/math», «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mover»«mi»Mn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»7«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«/math») , восстанавливаются атомы марганца;
• • соединения хрома («math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mover»«mi»Cr«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»6«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«/math», «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mover»«mi»Cr«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»6«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»7«/mn»«/msub»«/math»), восстанавливаются атомы хрома;
• • соли железа(III), меди(II), серебра(I), восстанавливаются атомы металлов.

Восстановитель — это вещество, в состав которого входят атомы, отдающие электроны в процессе окислительно-восстановительной реакции. Во время реакции эти атомы окисляются, при этом их степень окисления повышается.

Приведём примеры важнейших восстановителей, свойства которых вы будете рассматривать, изучая материал глав VI и VII:

• • простые вещества — металлы (например, Na, Fe, Zn, Al, Sn и др.);
• • простое вещество — водород;
• • углерод, оксид углерода(II) и многие органические соединения (например, альдегиды), окисляются атомы углерода;
• • сероводород, сульфиды и сульфиты, окисляются атомы серы;
• • бромиды и йодиды (например, KI), окисляются атомы галогена;
• • соли железа(II), окисляются атомы железа в степени окисления +2.

Разумеется, приведённый выше перечень веществ не исчерпывает всё разнообразие окислителей и восстановителей. Следует подчеркнуть, что окислители и восстановители различаются по своей силе. Так, например, фтор является одним из самых сильных окислителей, а окислительная способность хлора больше, чем у йода. Для многих веществ окислительная способность зависит от условий реакции. В кислой среде, как правило, окислительная способность более выражена. Ряд веществ в одних условиях обладает окислительной способностью, а в других — восстановительной.

Оценить, будет ли вещество проявлять окислительные или восстановительные свойства, можно, руководствуясь следующими правилами.

Восстановителями являются вещества, содержащие атомы элемента, которые могут проявлять более высокую, чем в данном веществе, степень окисления. Простые вещества металлы всегда являются восстановителями, и в продуктах окисления степень окисления металла имеет только положительные значения.

Атомы неметаллов, входящие в состав соединений в низших степенях окисления, проявляют только восстановительные свойства, например атомы галогена в галогенидах, атомы серы в сульфидах, атомы водорода в гидридах.

Окислителями являются вещества, содержащие атомы элемента, которые могут проявлять более низкую, чем в данном веществе, степень окисления. Сложные вещества, в состав которых входят атомы металлов и неметаллов в высших степенях окисления, всегда являются окислителями, например H₂SO_4(конц), HNO₃, KMnO₄, CrO₃, HClO₄ и др. Понижая свою степень окисления, атомы неметаллов могут приобретать как положительные, так и отрицательные или нулевые значения степени окисления. Окислительная способность веществ в ряду окислителей, как и восстановительная способность веществ в ряду восстановителей, может сильно различаться.

Находясь в промежуточной степени окисления, атомы элемента могут быть окислены более сильным окислителем или восстановлены более сильным восстановителем. Например, железо(II) в оксиде FeO может быть окислено кислородом до Fe(III) или восстановлено углеродом до металлического железа. Свойства как окислителей, так и восстановителей могут проявлять H₂O₂, FeCl₂, SO₂, CuCl, углерод, галогены (кроме фтора) и др.

В ряде окислительно-восстановительных реакций часть атомов одного из элементов проявляет свойства окислителя, а другая часть — свойства восстановителя. В результате образуются продукты как окисления, так и восстановления данного элемента. Примерами таких реакций (реакции диспропорционирования) могут служить:

а) взаимодействие оксида азота(IV) с водой:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»3«/mn»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»4«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#8644;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»5«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»;«/mo»«/math»

б) разложение пероксида водорода:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»0«/mn»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»;«/mo»«/math»

в) взаимодействие хлора с раствором щёлочи с образованием солей хлорноватистой и хлороводородной кислот:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mover»«mi»Cl«/mi»«mn»0«/mn»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»NaOH«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#8644;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»Na«/mi»«mover»«mi»Cl«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»Na«/mi»«mover»«mi»Cl«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo».«/mo»«/math»

Окислительно-восстановительные процессы распространены в природе. К ним относятся обмен веществ в живых организмах, дыхание, гниение и брожение, фотосинтез. Окислительно-восстановительные процессы сопровождают круговорот веществ в природе. Они протекают при коррозии металлов.

В промышленности и в быту экзотермические окислительно-восстановительные реакции используют при сжигании природного газа, угля, торфа, древесины, нефти и продуктов её переработки. Эти реакции лежат в основе преобразования энергии взаимодействующих химических веществ в электрическую энергию в гальванических и топливных элементах.

В металлургии окислительно-восстановительные процессы используют для восстановления металлов, в химической промышленности — для получения щелочей, кислот, аммиака, спиртов, альдегидов и других продуктов. Подробнее вы познакомитесь со многими окислительно-восстановительными реакциями и их применением при изучении материала глав VI и VII пособия.

Вопросы, задания, задачи

1. Какие из предложенных веществ — SO₃, Na₂S, SO₂, H₂S, H₂SO₄, BaSO₃ — за счёт атомов серы проявляют:

• а) только окислительные свойства;
• б) только восстановительные свойства;
• в) как окислительные, так и восстановительные свойства?

Ответ поясните.

2. Какие из предложенных веществ — N₂, NO₂, NO, HNO₃, NH₃, Ba(NO₃)₂, HNO₂ — за счёт атомов азота проявляют:

• а) только окислительные свойства;
• б) только восстановительные свойства;
• в) как окислительные, так и восстановительные свойства?

Ответ поясните.

3. В каждой из схем окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса и укажите элемент, являющийся одновременно окислителем и восстановителем:

• a) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»Cu«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»S«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#8594;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»Cu«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»S«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«/math»;
• б) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»NH«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mrow»«msub»«mi»NO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mover»«mrow»«mo»§#8594;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«/math»;
• в) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»NH«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«msub»«mi»NO«/mi»«mrow»«mn»3«/mn»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«/msub»«mover»«mrow»«mo»§#8594;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«/math»;
• г) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»CuS«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mrow»«mn»4«/mn»«mo»(«/mo»«mi»§#1082;§#1086;§#1085;§#1094;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#8594;«/mo»«/mrow»«mrow»«mi»t«/mi»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»CuSO«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«/math»;

4. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса, а также укажите окислители и восстановители:

• H₂C«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mo»=«/mo»«/math»CH₂ + KMnO₄ + H₂O → CH₂(OH)«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mo»-«/mo»«/math»CH₂(OH) + MnO₂↓ + KOH;
• CH₃CH₂OH + KMnO₄ + H₂SO₄ → CH₃COOH + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O;
• CH₃CHO + KMnO₄ + H₂SO₄ → CH₃COOH + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O.

5. Для получения уксусного альдегида можно использовать реакцию окисления этилового спирта дихроматом калия («math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mover»«mi»Cr«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»6«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»7«/mn»«/msub»«/math») в кислой среде. Составьте соответствующее уравнение окислительно-восстановительной реакции.

6. Назовите ряды, в которых два предложенных вещества могут одновременно находиться в растворе:

• а) сульфат натрия и дихромат калия;
• б) дихромат калия и серная кислота;
• в) пероксид водорода и йодид калия;
• г) пероксид водорода и перманганат калия;
• д) йодид калия и хлорид натрия;
• е) гидроксид бария и сульфат магния.

Ответ поясните.

7. Вычислите объём (см³ при н. у.) оксида азота(II), который должен выделиться при растворении 1,92 г меди в разбавленной азотной кислоте, взятой в избытке.

8. В раствор сульфата меди массой 160 г и с массовой долей сульфата меди 20 % опустили гранулу цинка массой 6,5 г. Определите количественный состав (%) раствора после полного растворения гранулы цинка. Приведите уравнение химической реакции, описывающей процесс растворения цинка.

9. В качестве сырья для получения серной кислоты можно использовать пирит (FeS₂), в котором атомы имеют степени окисления: железо +2, сера –1. Составьте уравнение обжига пирита в кислороде, в результате которого образуются оксиды железа(III) и серы(IV).

10. В раствор сульфата меди(II) опустили цинковую пластинку и выдержали некоторое время. После этого её извлекли из раствора, высушили и взвесили. Оказалось, что масса пластинки уменьшилась на 0,01 г за счёт выделения на её поверхности меди из раствора. Объясните это явление и определите массу меди, осевшей на пластинке. Принять молярную массу цинка равной 65 г/моль, меди — 64 г/моль.

Самоконтроль

1. К окислительно-восстановительным процессам относятся:

• a) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«mi»NO«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«msub»«mi»NO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/math»;
• б) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»HCOOH«/mi»«mover»«mo»=«/mo»«mrow»«mi»t«/mi»«mo»,«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»CO«/mi»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«/math»;
• в) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»Al«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»S«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»6«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»Al«/mi»«msub»«mrow»«mo»(«/mo»«mi»OH«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«mn»3«/mn»«/msub»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8595;«/mo»«/mpadded»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»S«/mi»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«/math»;
• г) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«mi»Zn«/mi»«msub»«mrow»«mo»(«/mo»«msub»«mi»NO«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/mrow»«mpadded voffset=¨-4px¨»«mn»2«/mn»«/mpadded»«/msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»ZnO«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»4«/mn»«msub»«mi»NO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«/math».
• 2. Только окислительные свойства за счёт атомов галогенов проявляют соединения:

• а) KClO₃ и НСl;
• в) KCl и NaCl;
• б) HClO₄ и Cl₂O₇;
• г) HClO и KCl.

3. В окислительно-восстановительной реакции, уравнение которой 3Cu + 8HNO_3(разб) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O, образовалась соль количеством 3 моль. Другие процессы не протекали. При этом верными для данной реакции являются утверждения:

• а) на окисление металла необходима азотная кислота количеством 2 моль;
• б) для связывания в нитрат образующихся Cu²⁺ требуется 6 моль кислоты;
• в) восстановилось 2 моль атомов азота;
• г) коэффициент перед продуктом восстановления равен 2.

4. Атомы металлов в высших степенях окисления могут:

• а) и окисляться, и восстанавливаться;
• б) только восстанавливаться;
• в) понижать степень окисления;
• г) отдавать электроны.

5. Атомы марганца в составе МnO₂, могут:

• а) только восстанавливаться;
• б) только окисляться;
• в) и окисляться, и восстанавливаться;
• г) присоединять электроны.