Окислительно-восстановительные реакции

По классификации химических реакций, те реакции, в процессе протекания которых изменяются степени окисления у двух и более элементов, относят к окислительно-восстановительным. По изменению степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ, химические реакции делят на реакции, идущие без изменения степени окисления (протолитические реакции и реакции обмена) и окислительно-восстановительные реакции

Что такое окислительно-восстановительные реакции?

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) — называются такие реакции, в процессе которых происходит изменение степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ, то есть переход или смещение электронов от атомов с меньшей электроотрицательностью к атомам с большей электроотрицательностью

В неорганической химии

к реакциям ОВР относятся реакции соединения, разложения, замещения, и реакции, идущие с участием простых веществ.

Пример окислительно-восстановительной реакции:

2Na + Cl₂ = 2NaCl

В ходе данной реакции натрий и хлор изменяют свои степени окисления. Натрий, отдавая один электрон, превращается в положительно заряженную частицу: Naº — ē ⇒ Na+ степень окисления натрия изменяется от 0 до +1.

Такой процесс — отдача электронов, сопровождающийся повышением степени окисленности элемента, называется окислением.

Cl₂ + 2ē ⇒ 2Cl‾ хлор принимает 2 электрона, отдаваемые натрием, при этом его степень окисления изменяется от 0 до -1.

Процесс присоединения электронов атомом сопровождающийся понижением его степени окисления, называется восстановлением.

Вещество, в состав которого входит окисляющийся элемент(отдает электроны), называется восстановителем, а вещество, содержащее восстанавливающийся элемент(принимает электроны), окислителем

Уравнения окислительно-восстановительных реакций уравнивают с помощью двух методов: электронного баланса и электронно-ионного баланса

Метод электронного баланса

на примере взаимодействия иодоводорода с концентрированной серной кислотой. Схема реакции:

HI + H₂SO₄ ⇒ I₂ + H₂S + H₂O

Степени окисления в этой реакции изменили два элемента: йод от -1 до 0 и сера от +6 до -2

Электронный баланс этой реакции:

I^-1 -1ē → I⁰ 1 8 восстановитель

S⁺⁶ + 8ē → S^-2 8 1 окислитель

Схема уравнения данной реакции:

8HI + H₂SO₄ ⇒ 4I₂ + H₂S +4 H₂O

Метод электронно-ионного баланса

На примере взаимодействия алюминия с нитратом калия в щелочной среде. Схема реакции:

KNO₃ + Al + KOH + H₂O ⇒ NH₃ + KAlO₂

Степень окисления изменяется у азота и алюминия. У алюминия от 0 до +3 в ионе AlO2 — Al ⇒ AlO2 — В щелочной среде источником кислорода для этого процесса служат гидроксид-ионы ОН-. Для связывания одного атома алюминия в ион, необходимо четыре гидроксильных группы ОН- : Alº + 4OH- ⇒ 2H₂O + AlO₂ ^—

В ходе этого процесса отдаются три электрона: Alº + 4OH- ⇒ 2H₂O + AlO₂ ^—+ 3 ē (окисление).

Азот изменил свою степень окисления от +5 до -3. Восстановление азота происходит по схеме: NO₃ ^– ⇒ NH_{3 .}Для этого процесса понадобится три молекулы воды для связывания трех атомов кислорода и еще три молекулы воды для образования трех молекул аммиака:

NO₃ ^– + 6H₂O ⇒ NH₃ + 9OH^—

Суммарный заряд слева равен -1, а справа -9, следовательно в процессе принимают участие 8 электронов:

NO₃ ^– + 6H₂O + 8ē ⇒ NH₃ + 9OH^— (восстановление)

Отношение числа электронов при окислении и восстановлении 3:8, поэтому для получения суммарного уравнения реакции нужно сложить оба уравнения процессов окисления и восстановления, умножив первое из них на 8, а второе на 3

Alº + 4OH- = 2H₂O + AlO₂ ^— + 3 ē × 8

+ NO₃ ^– + 6H₂O + 8ē = NH₃ + 9OH^— × 3

8Al + 3NO₃ ^— + 5OH^— +2H₂O = 8AlO₂^— + NH₃

В молекулярной форме: 8Al + 3KNO₃ + 5KOH + 2H₂O = 8KAlO₂ + 3NH₃

Типы реакций ОВР

Реакции ОВР разделяются на три группы: межмолекулярные, внутримолекулярные и реакции диспропорционирования

ОВР в органической химии

В органической химии реакции окисления и восстановления разделяют в зависимости от того, что происходит с исходной органической молекулой

Реакции окисления в органической химии — это такие реакции, в ходе которых уменьшается число атомов водорода или увеличивается число атомов кислорода в исходной органической молекуле

Например, окисление этилена водным раствором перманганата калия:

3CH₂=CH₂ + 2 KMnO₄ + 4Н₂О ⇒ 3(OH-CH₂-CH₂-OH) + 2MnО₂ + 2KOH

Частным случаем реакций окисления являются реакции горения:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

Реакции восстановления в органической химии — это такие реакции, в ходе которых увеличивается число атомов водорода или уменьшается число атомов кислорода в исходной органической молекуле

Например, восстановление уксусного альдегида водородом:

CH₃-НC=O + H₂ ⇒ CH₃-CH₂-OH