Виды химических реакций. Реакция соединения

Понятие «реакции соединения» является антонимом понятия «реакции разложения». Попробуйте, используя приём противопоставления, дать определение понятия «реакции соединения». Верно! У вас получилась следующая формулировка.

Рассмотрим этот тип реакций с помощью ещё одной, новой для вас формы записи химических процессов - так называемых цепочек переходов, или превращений. Например, схема

показывает превращение фосфора в оксид фосфора (V) Р 2 O 5 , который, в свою очередь, затем превращается в фосфорную кислоту Н 3 РO 4 .

Число стрелок в схеме превращения веществ соответствует минимальному числу химических превращений - химических реакций. В рассматриваемом примере это два химических процесса.

1-й процесс. Получение оксида фосфора (V) Р 2 O 5 из фосфора. Очевидно, что это реакция соединения фосфора с кислородом.

Поместим немного красного фосфора в ложечку для сжигания веществ и подожжём его. Фосфор горит ярким пламенем с образованием белого дыма, состоящего из маленьких частичек оксида фосфора (V):

4Р + 5O 2 = 2Р 2 O 5 .

2-й процесс. Внесём ложечку с горящим фосфором в колбу. Она заполняется густым дымом из оксида фосфора (V). Вынем ложечку из колбы, прильём в колбу воду и взболтаем содержимое, предварительно закрыв горлышко колбы пробкой. Дым постепенно редеет, растворяется в воде и, наконец, исчезает совсем. Если к полученному в колбе раствору добавить немного лакмуса, он окрасится в красный цвет, что является доказательством образования фосфорной кислоты:

Р 2 O 5 + ЗН 2 O = 2Н 3 РO 4 .

Реакции, которые проводят для осуществления рассматриваемых переходов, протекают без участия катализатора, поэтому их называют некаталитическими. Рассмотренные выше реакции протекают только в одном направлении, т. е. являются необратимыми.

Проанализируем, сколько и каких веществ вступало в рассмотренные выше реакции и сколько и каких веществ в них образовалось. В первой реакции из двух простых веществ образовалось одно сложное, а во второй - из двух сложных веществ, каждое из которых состоит из двух элементов, образовалось одно сложное вещество, состоящее уже из трёх элементов.

Одно сложное вещество может также образоваться и в результате реакции соединения сложного и простого веществ. Например, при производстве серной кислоты из оксида серы (IV) получают оксид серы (VI):

Эта реакция протекает как в прямом направлении, т. е. с образованием продукта реакции, так и в обратном, т. е. происходит разложение продукта реакции на исходные вещества, поэтому в них вместо знака равенства ставят знак обратимости .

В этой реакции участвует катализатор - оксид ванадия (V) V 2 O 5 , который указывают над знаком обратимости:

Сложное вещество также может быть получено и в реакции соединения трёх веществ. Например, азотную кислоту получают по реакции, схема которой:

NO 2 + Н 2 O + O 2 → HNO 3 .

Рассмотрим, как подобрать коэффициенты для уравнивания схемы этой химической реакции.

Число атомов азота уравнивать не нужно: и в левой, и в правой частях схемы по одному атому азота. Уравняем число атомов водорода - перед формулой кислоты запишем коэффициент 2:

NO 2 + Н 2 O + O 2 → 2HNO 3 .

но при этом нарушится равенство числа атомов азота - в левой части остался один атом азота, а в правой их стало два. Запишем коэффициент 2 перед формулой оксида азота (IV):

2NO 2 + Н 2 O + O 2 → 2HNO 3 .

Подсчитаем число атомов кислорода: в левой части схемы реакции их семь, а в правой части - шесть. Чтобы уравнять число атомов кислорода (по шесть атомов в каждой части уравнения), вспомним, что перед формулами простых веществ можно записать дробный коэффициент 1/2:

2NO 2 + Н 2 O + 1/2O 2 → 2HNO 3 .

Сделаем коэффициенты целыми. Для этого перепишем уравнение, удвоив коэффициенты:

4NO 2 + 2Н 2 O + O 2 → 4HNO 3 .

Следует отметить, что почти все реакции соединения относятся к экзотермическим реакциям.

Лабораторный опыт № 15
Прокаливание меди в пламени спиртовки

Рассмотрите выданную вам медную проволоку (пластину) и опишите её внешний вид. Прокалите проволоку, удерживая её тигельными щипцами, в верхней части пламени спиртовки в течение 1 мин. Опишите условие проведения реакции. Опишите признак, подтверждающий, что произошла химическая реакция. Составьте уравнение проведённой реакции. Назовите исходные вещества и продукты реакции.

Объясните, изменилась ли масса медной проволоки (пластины) после окончания проведения опыта. Ответ обоснуйте, используя знания о законе сохранения массы веществ.

Ключевые слова и словосочетания

1. Реакции соединения - антонимы реакций разложения.
2. Каталитические (в том числе и ферментативные) и некаталитические реакции.
3. Цепочки переходов, или превращений.
4. Обратимые и необратимые реакции.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

Многие процессы, без которых невозможно представить нашу жизнь (такие как дыхание, пищеварение, фотосинтез и подобные им), связаны с различными химическими реакциями органических соединений (и неорганических). Давайте рассмотрим основные их виды и более детально остановимся на процессе под названием соединение (присоединение).

Что называется химической реакцией

Прежде всего стоит дать общее определение этому явлению. Под рассматриваемым словосочетанием подразумеваются различные реакции веществ разной сложности, в результате которых образуются отличные от исходных продукты. Участвующие в этом процессе вещества именуются "реагенты".

На письме химическая реакция органических соединений (и неорганических) записывается при помощи специализированных уравнений. Внешне они немного напоминают математические примеры по сложению. Однако вместо знака равно ("=") используются стрелки ("→" или "⇆"). Помимо этого в правой части уравнения иногда может быть больше веществ, нежели в левой. Все, что находится до стрелки, - это вещества до начала реакции (левая часть формулы). Все, что после нее (правая часть), - соединения, образовавшиеся в результате произошедшего химического процесса.

В качестве примера химического уравнения можно рассмотреть воды на водород и кислород под действием электрического тока: 2Н 2 О → 2Н 2 + О 2 . Вода - это исходный реагент, а кислород с водородом - продукты.

В качестве еще одного, но уже более сложного примера химической реакции соединений можно рассмотреть явление, знакомое каждой хозяйке, хоть раз выпекавшей сладости. Речь идет о гашении пищевой соды с помощью столового уксуса. Происходящее действие иллюстрируется при помощи такого уравнения: NaHCO 3 +2 СН 3 СООН → 2CH 3 COONa + СО 2 + Н 2 О. Из него ясно, что в процессе взаимодействия гидрокарбоната натрия и уксуса образуется натриевая соль уксусной кислоты, вода и углекислый газ.

По свой природе занимает промежуточное место между физическими и ядерными.

В отличие от первых, участвующие в химических реакциях соединения способны менять свой состав. То есть из атомов одного вещества можно образовать несколько других, как в вышеупомянутом уравнении разложения воды.

В отличие от ядерных реакций химические не затрагивает ядра атомов взаимодействующих веществ.

Какие бывают виды химических процессов

Распределение реакций соединений по видам происходит по разным критериям:

• Обратимость/необратимость.
• Наличие/отсутствие катализирующих веществ и процессов.
• По поглощению/выделению тепла (эндотермическая/экзотермическая реакции).
• По количеству фаз: гомогенные/гетерогенные и две гибридные их разновидности.
• По изменению степеней окисления взаимодействующих веществ.

Виды химических процессов в по способу взаимодействия

Этот критерий является особым. С его помощью выделяют четыре разновидности реакций: соединение, замещение, разложение (расщепление) и обмен.

Название каждой из них соответствует процессу, который она описывает. То есть в объединяются, в замещении - меняются на другие группы, в разложении из одного реагента образуется несколько, а в обмене участники реакции меняются между собой атомами.

Виды процессов по способу взаимодействия в органической химии

Несмотря на большую сложность, реакции органических соединений происходят по тому же принципу, что и неорганические. Однако они имеют несколько отличные названия.

Так, реакции соединения и разложения именуются «присоединение», а также «отщепление» (элимирование) и непосредственно органическое разложение (в этом разделе химии присутствуют два типа процессов расщепления).

Другие реакции органических соединений - это замещение (название не меняется), перегруппировка (обмен) и окислительно-восстановительные процессы. Несмотря на схожесть механизмов их протекания, в органике они более многогранны.

Химическая реакция соединения

Рассмотрев различные виды процессов, в которые вступают вещества в органической и неорганической химии, стоит остановиться более подробно именно на соединении.

Данная реакция отличается от всех остальных тем, что, независимо от количества реагентов в ее начале, в финале они все соединяются в одно.

В качестве примера можно вспомнить процесс гашения извести: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 . В данном случае происходит реакция соединения оксида кальция (негашеной извести) с оксидом гидрогена (водой). В результате образуется гидроксид кальция (гашеная известь) и выделяется теплый пар. Кстати, это означает, что данный процесс действительно экзотермический.

Уравнение реакции соединения

Схематически рассматриваемый процесс можно изобразить следующим образом: А+БВ → АБВ. В данной формуле АБВ - это новообразованное А - простой реагент, а БВ - вариант сложного соединения.

Стоит отметить, что эта формула характерна и для процесса присоединения и соединения.

Примеры реакции рассматриваемой - это взаимодействие оксида натрия и углекислого газа (NaO 2 + СО 2 (t 450-550 °С) → Na 2 CO 3), а также оксида серы с кислородом (2SO 2 + O 2 → 2SO 3).

Также между собой способны реагировать несколько сложных соединений: АБ + ВГ → АБВГ. Например, все тот же оксид натрия и оксид гидрогена: NaO 2 +Н 2 О → 2NaOH.

Условия протекания реакции в неорганических соединениях

Как было показано в предыдущем уравнении, в рассматриваемое взаимодействие способны вступать вещества разной степени сложности.

При этом для простых реагентов неорганического происхождения возможны окислительно-восстановительные реакции соединения (А + В → АБ).

В качестве примера можно рассмотреть процесс получения трехвалентного Для этого проводится реакция соединения между хлором и ферумом (железом): 3Cl 2 + 2Fe → 2FeCl 3.

В случае если речь идет о взаимодействии сложных неорганических веществ (АБ + ВГ → АБВГ), процессы в них способны происходить, как влияя, так и не влияя на их валентность.

Как иллюстрацию к этому стоит рассмотреть пример образования гидрокарбоната кальция из углекислого газа, оксида гидрогена (воды) и белого пищевого красителя Е170 (карбоната кальция): СО 2 + Н 2 О +СаСО 3 → Са(СО 3) 2. В данном случае имеет место классическая реакция соединения. При ее осуществлении валентность реагентов не меняется.

Чуть более совершенное (нежели первое) химическое уравнение 2FeCl 2 + Cl 2 → 2FeCl 3 является примером окислительно-восстановительного процесса при взаимодействии простого и сложного неорганических реагентов: газа (хлора) и соли (хлорида железа).

Виды реакций присоединения в органической химии

Как уже было указано в четвертом пункте, в веществах органического происхождения рассматриваемая реакция именуется «присоединением». Как правило, в ней принимают участие сложные вещества с двойной (или тройной) связью.

Например, реакция между дибромом и этиленом, ведущая к образованию 1,2-дибромэтана: (С 2 Н 4) СН 2 = СН 2 + Br 2 → (C₂H₄Br₂) BrCH 2 - CH 2 Br. Кстати, знаки похожие на равно и минус ("=" и "-"), в данном уравнении показывают связи между атомами сложного вещества. Это особенность записи формул органических веществ.

В зависимости от того, какие из соединений выступают в роли реагентов, выделяются несколько разновидностей рассматриваемого процесса присоединения:

• Гидрирование (добавляются молекулы гидрогена Н по кратной связи).
• Гидрогалогенирование (присоединяется галогеноводород).
• Галогенирование (добавление галогенов Br 2 , Cl 2 и подобных).
• Полимеризация (образование из нескольких низкомолекулярных соединений веществ с высокой молекулярной массой).

Примеры реакции присоединения (соединения)

После перечисления разновидностей рассматриваемого процесса стоит узнать на практике некоторые примеры реакции соединения.

В качестве иллюстрации гидрирования можно обратить внимание на уравнение взаимодействия пропена с водородом, в результате которого возникнет пропан: (С 3 Н 6 ) СН 3 —СН=СН 2 + Н 2 → (С 3 Н 8 ) СН 3 —СН 2 —СН 3 .

В органической химии реакция соединения (присоединения) может происходить между соляной кислотой (неорганическое вещество) и этиленом с формированием хлорэтана: (С 2 Н 4 ) СН 2 = СН 2 + HCl → CH 3 — CH 2 —Cl (C 2 H 5 Cl). Представленное уравнение является примером гидрогалогенирования.

Что касается галогенирования, то его можно иллюстрировать реакцией между дихлором и этиленом, ведущей к образованию 1,2-дихлорэтана: (С 2 Н 4 ) СН 2 = СН 2 + Cl 2 → (C₂H₄Cl₂) ClCH 2 -CH 2 Cl.

Множество полезных веществ образовывается благодаря органической химии. Реакция соединения (присоединения) молекул этилена с радикальным инициатором полимеризации под воздействием ультрафиолета - тому подтверждение: n СН 2 = СН 2 (R и УФ-свет) → (-СН 2 -СН 2 -)n. Образованное таким способом вещество хорошо известно каждому человеку под именем полиэтилена.

Из этого материала изготавливаются различные виды упаковок, пакеты, посуда, трубы, утепляющие вещества и многое другое. Особенностью данного вещества является и возможность его вторичной переработки. Своей популярностью полиэтилен обязан тому, что не разлагается, из-за чего экологи негативно относятся к нему. Однако в последние годы был найден способ безопасной утилизации изделий из полиэтилена. Для этого материал обрабатывается азотной кислотой (HNO 3). После чего отдельные виды бактерий способны разлагать это вещество на безопасные составляющие.

Реакция соединения (присоединения) играет важную роль в природе и жизни человека. Помимо этого, она часто используется учеными в лабораториях, чтобы синтезировать новые вещества для различных важных исследований.

В современной науке различают химические и ядерные реакции, протекающие в результате взаимодействия исходных веществ, которые принято называть реагентами. В результате образуются другие химические вещества, которые называются продуктами. Все взаимодействия происходят при определенных условиях (температура, излучение, присутствие катализаторов и прочее). Ядра атомов реагентов химических реакций не меняются. В ядерных превращениях образуются новые ядра и частицы. Существует несколько различных признаков, по которым определяют типы химических реакций.

За основу классификации можно взять число исходных и образующихся веществ. В этом случае все типы химических реакций делятся на пять групп:

1. Разложения (несколько новых получается из одного вещества), например, разложение при нагревании на хлористый калий и кислород: KCLO3 → 2KCL + 3O2.
2. Соединения (два или несколько соединений образуют одно новое), взаимодействуя с водой, окись кальция превращается в гидроокись кальция: H2O + CaO → Ca(OH)2;
3. Замещения (число продуктов равно числу исходных веществ, в которых замещена одна составляющая часть на другую), железо в сульфате меди, замещая медь, образует сульфат двухвалентного железа: Fe + CuSO4 → FeSO4 +Cu.
4. Двойного обмена (молекулы двух веществ обмениваются оставляющими их частями), металлы в и обмениваются анионами, образуя выпадающий в осадок йодид серебра и азотнокислый кадий: KI + AgNO3 → AgI↓ + KNO3.
5. Полиморфного превращения (происходит переход вещества из одной кристаллической формы в другую), йодид цвета при нагревании переходит в йодид ртути желтого цвета: HgI2 (красный) ↔ HgI2 (желтый).

Если химические превращения рассматривать по признаку изменения в реагирующих веществах степени окисления элементов, то тогда типы химических реакций могут делиться на группы:

1. С изменением степени окисления — реакции окислительно-восстановительные (ОВР). В качестве примера можно рассмотреть взаимодействие железа с соляной кислотой: Fe + HCL → FeCl2 + H2, в результате степень окисления железа (восстановитель, отдающий электроны) изменилась с 0 до -2, а водорода (окислитель, принимающий электроны) с +1 до 0.
2. Без изменения степени окисления (т. е. не ОВР). Например, реакции кислотно-щелочного взаимодействия бромистого водорода с гидроокисью натрия: HBr + NaOH → NaBr + H2O, в результате таких реакций образуются соль и вода, а степени окисления химических элементов, входящих в исходные вещества, не меняются.

Если рассматривать и скорость протекания в прямом и обратном направлении, то все типы химических реакций могут делиться также на две группы:

1. Обратимые — те, что одновременно протекают в двух направлениях. Большинство реакций являются обратимыми. В качестве примера можно привести растворение в воде двуокиси углерода с образованием нестойкой угольной кислоты, которая разлагается на исходные вещества: H2O + CO2 ↔ H2CO3.
2. Необратимые - протекают только в прямом направлении, после полного расходования одного из исходных веществ завершаются, после чего присутствуют только продукты и исходное вещество, взятое в избытке. Обычно один из продуктов является или выпавшим в осадок нерастворимым веществом или выделившимся газом. Например, при взаимодействии серной кислоты и хлористого бария: H2SO4 + BaCl2 + → BaSO4↓ + 2HCl в осадок выпадает нерастворимый

Типы химических реакций в органической химии можно разделить на четыре группы:

1. Замещение (происходит замена одних атомов или групп атомов на другие), например, при взаимодействии хлорэтана с гидроокисью натрия образуется этанол и хлорид натрия: C2H5Cl + NaOH → C2H5OH + NaCl, то есть атом хлора замещается на атом водорода.
2. Присоединение (две молекулы реагируют и образовывают одну), например, бром присоединяется в месте разрыва двойной связи в молекуле этилена: Br2 + CH2=CH2 → BrCH2—CH2Br.
3. Отщепление (молекула разлагается на две и более молекулы), например, при определенных условиях этанол разлагается на этилен и воду: C2H5OH → CH2=CH2 + H2O.
4. Перегруппировка (изомеризация, когда одна молекула превращается в другую, но качественный и количественный состав атомов в ней не меняется), например, 3-хлорутен-1 (C4H7CL) превращается в 1 хлорбутен-2 (C4H7CL). Здесь атом хлора перешел от третьего углеродного атома в углеводородной цепочке к первому, а двойная связь соединяла первый и второй атомы углерода, а затем стала соединять второй и третьи атомы.

Известны и другие виды химических реакций:

1. По протекающие с поглощением (эндотермические) или выделением тепла (экзотермические).
2. По типу взаимодействующих реагентов или образующихся продуктов. Взаимодействие с водой — гидролиз, с водородом — гидрирование, с кислородом — окисление или горение. Отщепление воды — дегидратация, водорода — дегидрирование и так далее.
3. По условиям взаимодействия: в присутствии под действием низкой или высокой температуры, при изменении давления, на свету и прочее.
4. По механизму протекания реакции: ионные, радикально-цепные или цепные реакции.

7.1. Основные типы химических реакций

Превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и свойств, называются химическими реакциями или химическими взаимодействиями. При химических реакциях не происходит изменения состава ядер атомов.

Явления, при которых изменяется форма или физическое состояние веществ или изменяется состав ядер атомов, называются физическими. Примером физических явлений является термическая обработка металлов, при которой происходит изменение их формы (ковка), плавление металла, возгонка иода, превращение воды в лед или пар и т.д., а также ядерные реакции, в результате которых из атомов одних элементов образуются атомы других элементов.

Химические явления могут сопровождаются физическими превращениями. Например, в результате протекания химических реакций в гальваническом элементе возникает электрический ток.

Химические реакции классифицируют по различным признакам.

1. По знаку теплового эффекта все реакции делятся на эндотермические (протекающие с поглощением теплоты) и экзотермические (протекающие с выделением теплоты) (см. § 6.1).

2. По агрегатному состоянию исходных веществ и продуктов реакции различают:

гомогенные реакции , в которых все вещества находятся в одной фазе:

2 KOH (p-p) + H 2 SO 4(p-p) = K 2 SO (p-p) + 2 H 2 O (ж) ,

CO (г) + Cl 2(г) = COCl 2(г) ,

SiO 2(к) + 2 Mg (к) = Si (к) + 2 MgO (к) .

гетерогенные реакции , вещества в которых находятся в различных фазах:

СаО (к) + СО 2(г) = СаCO 3(к) ,

CuSO 4(р-р) + 2 NaOH (р-р) = Cu(OH) 2(к) + Na 2 SO 4(р-р) ,

Na 2 SO 3(р-р) + 2HCl (р-р) = 2 NaCl (р-р) + SO 2(г) + H 2 O (ж) .

3. По способности протекать только в прямом направлении, а также в прямом и обратном направлении различают необратимые и обратимые химические реакции (см. § 6.5).

4. По наличию или отсутствую катализаторов различают каталитические и некаталитические реакции (см. § 6.5).

5. По механизму протекания химические реакции делятся на ионные , радикальные и др. (механизм химических реакций, протекающих с участием органических соединений, рассматривается в курсе органической химии).

6. По состоянию степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ различают реакции, протекающие без изменения степени окисления атомов, и с изменением степени окисления атомов (окислительно–восстановительные реакции ) (см. § 7.2) .

7. По изменению состава исходных веществ и продуктов реакции различают реакции соединения, разложения, замещения и обмена . Эти реакции могут протекать как с изменением, так и без изменения степеней окисления элементов, табл . 7.1.

Таблица 7.1

Типы химических реакций

	Общая схема	Примеры реакций, протекающих без изменения степени окисления элементов	Примеры окислительно-восстановительных реакций
Соединения (из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество)		HCl + NH 3 = NH 4 Cl; SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4	H 2 + Cl 2 = 2HCl; 2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3
Разложения (из одного вещества образуется несколько новых веществ)	А = В + С + D	MgCO 3 MgO + CO 2 ; H 2 SiO 3 SiO 2 + H 2 O	2AgNO 3 2Ag + 2NO 2 + O 2
Замещения (при взаимодействии веществ атомы одного вещества замещают в молекуле атомы другого вещества)	А + ВС = АВ + С	CaCO 3 + SiO 2 CaSiO 3 + CO 2	Pb(NO 3) 2 + Zn = Zn(NO 3) 2 + Pb; Mg + 2HCl = MgCl 2 + H 2
(два вещества обмениваются своими составными частями, образуя два новых вещества)	АВ + СD = AD + CВ	AlCl 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 + 3NaCl; Ca(OH) 2 + 2HCl = CaCl 2 + 2H 2 O

7.2. Окислительно–восстановительные реакции

Как указывалось выше, все химические реакции подразделяются на две группы:

Химические реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно–восстановительными.

Окисление – это процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом:

Na o – 1e = Na + ;

Fe 2+ – e = Fe 3+ ;

H 2 o – 2e = 2H + ;

2 Br – – 2e = Br 2 o .

Восстановление – это процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом:

S o + 2e = S 2– ;

Cr 3+ + e = Cr 2+ ;

Cl 2 o + 2e = 2Cl – ;

Mn 7+ + 5e =Mn 2+ .

Атомы, молекулы или ионы, принимающие электроны, называются окислителями . Восстановителями являются атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны.

Принимая электроны окислитель в процессе протекания реакции восстанавливается, а восстановитель – окисляется. Окисление всегда сопровождается восстановлением и наоборот. Таким образом, число электронов, отдаваемых восстановителем, всегда равно числу электронов, принимаемых окислителем .

7.2.1. Степень окисления

Степень окисления – это условный (формальный) заряд атома в соединении, рассчитанный в предположении, что оно состоит только из ионов. Степень окисления принято обозначать арабской цифрой сверху символа элемента со знаком “+” или “–” . Например, Al 3+ , S 2– .

Для нахождения степеней окисления руководствуются следующими правилами:

степень окисления атомов в простых веществах равна нулю;

алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекуле равна нулю, в сложном ионе – заряду иона;

степень окисления атомов щелочных металлов всегда равна +1;

атом водорода в соединениях с неметаллами (CH 4 , NH 3 и т.д) проявляет степень окисления +1, а с активными металлами его степень окисления равна –1 (NaH, CaH 2 и др.);

атом фтора в соединениях всегда проявляет степень окисления –1;

степень окисления атома кислорода в соединениях обычно равна –2, кроме пероксидов (H 2 O 2 , Na 2 O 2), в которых степень окисления кислорода –1, и некоторых других веществ (надпероксидов, озонидов, фторидов кислорода).

Максимальная положительная степень окисления элементов в группе обычно равна номеру группы. Исключением являются фтор, кислород, поскольку их высшая степень окисления ниже номера группы, в которой они находятся. Элементы подгруппы меди образуют соединения, в которых их степень окисления превышает номер группы (CuO, AgF 5 , AuCl 3).

Максимальная отрицательная степень окисления элементов, находящихся в главных подгруппах периодической системы может быть определена вычитанием из восьми номера группы. Для углерода это 8 – 4 = 4, для фосфора – 8 – 5 = 3.

В главных подгруппах при переходе от элементов сверху вниз устойчивость высшей положительной степени окисления уменьшается, в побочных подгруппах, наоборот, сверху вниз увеличивается устойчивость более высоких степеней окисления.

Условность понятия степени окисления можно продемонстрировать на примере некоторых неорганических и органических соединений. В частности, в фосфиновой (фосфорноватистой) Н 3 РО 2 , фосфоновой (фосфористой) Н 3 РО 3 и фосфорной Н 3 РО 4 кислотах степени окисления фосфора соответственно равны +1, +3 и +5, в то время как во всех этих соединениях фосфор пятивалентен. Для углерода в метане СН 4 , метаноле СН 3 ОН, формальдегиде СН 2 O , муравьиной кислоте НСООН и оксиде углерода (IV) СO 2 степени окисления углерода составляют соответственно –4, –2, 0, +2 и +4, в то время как валентность атома углерода во всех этих соединениях равна четырем.

Несмотря на то, что степень окисления является условным понятием, она широко используется при составлении окислительно–восстановительных реакций.

7.2.2. Важнейшие окислители и восстановители

Типичными окислителями являются:

1. Простые вещества, атомы которых обладают большой электроотрицательностью. Это, в первую очередь, элементы главных подгрупп VI и VII групп периодической системы: кислород, галогены. Из простых веществ самый сильный окислитель – фтор.

2. Соединения, содержащие некоторые катионы металлов в высоких степенях окисления: Pb 4+ , Fe 3+ , Au 3+ и др.

3. Соединения, содержащие некоторые сложные анионы, элементы в которых находятся в высоких положительных степенях окисления: 2– , – – и др.

К восстановителям относят:

1. Простые вещества, атомы которых обладают низкой электроотрицательностью – активные металлы. Восстановительные свойства могут проявлять и неметаллы, например, водород и углерод.

2. Некоторые соединения металлов, содержащие катионы (Sn 2+ , Fe 2+ , Cr 2+), которые, отдавая электроны, могут повышать свою степень окисления.

3. Некоторые соединения, содержащие такие простые ионы как, например I – , S 2– .

4. Соединения, содержащие сложные ионы (S 4+ O 3) 2– , (НР 3+ O 3) 2– , в которых элементы могут, отдавая электроны, повышать свою положительную степень окисления.

В лабораторной практике наиболее часто используются следующие окислители:

перманганат калия (KMnO 4);

дихромат калия (K 2 Cr 2 O 7);

азотная кислота (HNO 3);

концентрированная серная кислота (H 2 SO 4);

пероксид водорода (H 2 O 2);

оксиды марганца (IV) и свинца (IV) (MnO 2 , PbO 2);

расплавленный нитрат калия (KNO 3) и расплавы некоторых других нитратов.

К восстановителям, которые применяются в лабораторной практике относятся:

• магний (Mg), алюминий (Al) и другие активные металлы;
• водород (Н 2) и углерод (С);
• иодид калия (KI);
• сульфид натрия (Na 2 S) и сероводород (H 2 S);
• сульфит натрия (Na 2 SO 3);
• хлорид олова (SnCl 2).

7.2.3. Классификация окислительно–восстановительных реакций

Окислительно-восстановительные реакции обычно разделяют на три типа: межмолекулярные, внутримолекулярные и реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления).

Межмолекулярные реакции протекают с изменением степени окисления атомов, которые находятся в различных молекулах. Например:

2 Al + Fe 2 O 3 Al 2 O 3 + 2 Fe,

C + 4 HNO 3(конц) = CO 2 + 4 NO 2 + 2 H 2 O.

К внутримолекулярным реакциям относятся такие реакции, в которых окислитель и восстановитель входят в состав одной и той же молекулы, например:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O,

2 KNO 3 2 KNO 2 + O 2 .

В реакциях диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления) атом (ион) одного и того же элемента является и окислителем, и восстановителем:

Cl 2 + 2 KOH KCl + KClO + H 2 O,

2 NO 2 + 2 NaOH = NaNO 2 + NaNO 3 + H 2 O.

7.2.4. Основные правила составления окислительно-восстановительных реакций

Составление окислительно-восстановительных реакций осуществляют согласно этапам, представленным в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Этапы составления уравнений окислительно-восстановительных реакций

	Действие
	Определить окислитель и восстановитель.
	Установить продукты окислительно-восстановительной реакции.
	Составить баланс электронов и с его помощью расставить коэффициенты у веществ, изменяющих свои степени окисления.
	Расставить коэффициенты у других веществ, принимающих участие и образующихся в окислительно-восстановительной реакции.
	Проверить правильность расстановки коэффициентов путем подсчета количества вещества атомов (как правило, водорода и кислорода), находящихся в левой и правой частях уравнения реакции.

Правила составления окислительно-восстановительных реакций рассмотрим на примере взаимодействия сульфита калия с перманганатом калия в кислой среде:

1. Определение окислителя и восстановителя

Находящийся в высшей степени окисления марганец не может отдавать электроны. Mn 7+ будет принимать электроны, т.е. является окислителем.

Ион S 4+ может отдать два электрона и перейти в S 6+ , т.е. является восстановителем. Таким образом, в рассматриваемой реакции K 2 SO 3 – восстановитель, а KMnO 4 – окислитель.

2. Установление продуктов реакции

K 2 SO 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 ?

Отдавая два электрона электрон, S 4+ переходит в S 6+ . Сульфит калия (K 2 SO 3), таким образом, переходит в сульфат (K 2 SO 4). В кислой среде Mn 7+ принимает 5 электронов и в растворе серной кислоты (среда) образует сульфат марганца (MnSO 4). В результате данной реакции образуются также дополнительные молекулы сульфата калия (за счет ионов калия, входящих в состав перманганата), а также молекулы воды. Таким образом рассматриваемая реакция запишется в виде:

K 2 SO 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + MnSO 4 + H 2 O.

3. Составление баланса электронов

Для составления баланса электронов необходимо указать те степени окисления, которые изменяются в рассматриваемой реакции:

K 2 S 4+ O 3 + KMn 7+ O 4 + H 2 SO 4 = K 2 S 6+ O 4 + Mn 2+ SO 4 + H 2 O.

Mn 7+ + 5 е = Mn 2+ ;

S 4+ – 2 е = S 6+ .

Число электронов, отдаваемых восстановителем должно равняться числу электронов, принимаемых окислителем. Поэтому в реакции должно участвовать два Mn 7+ и пять S 4+ :

Mn 7+ + 5 е = Mn 2+ 2,

S 4+ – 2 е = S 6+ 5.

Таким образом, число электронов, отдаваемых восстановителем (10) будет равно числу электронов, принимаемых окислителем (10).

4. Расстановка коэффициентов в уравнении реакции

В соответствии с балансом электронов перед K 2 SO 3 необходимо поставить коэффициент 5, а перед KMnO 4 – 2. В правой части перед сульфатом калия ставим коэффициент 6, поскольку к пяти молекулам K 2 SO 4 , образующимся при окислении сульфита калия, добавляется одна молекула K 2 SO 4 в результате связывания ионов калия, входящих в состав перманганата. Поскольку в качестве окислителя в реакции участвуют две молекулы перманганата, в правой части образуются также две молекулы сульфата марганца. Для связывания продуктов реакции (ионов калия и марганца, входящих в состав перманганата) необходимо три молекулы серной кислоты, поэтому в результате реакции образуется три молекулы воды. Окончательно получаем:

5 K 2 SO 3 + 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 = 6 K 2 SO 4 + 2 MnSO 4 + 3 H 2 O.

5. Проверка правильности расстановки коэффициентов в уравнении реакции

Число атомов кислорода в левой части уравнения реакции равно:

5 · 3 + 2 · 4 + 3 · 4 = 35.

В правой части это число составит:

6 · 4 + 2 · 4 + 3 · 1 = 35.

Число атомов водорода в левой части уравнения реакции равно шести и соответствует числу этих атомов в правой части уравнения реакции.

7.2.5. Примеры окислительно–восстановительных реакций с участием типичных окислителей и восстановителей

7.2.5.1. Межмолекулярные реакции окисления-восстановления

Ниже в качестве примеров рассматриваются окислительно-восстановительные реакции, протекающие с участием перманганата калия, дихромата калия, пероксида водорода, нитрита калия, иодида калия и сульфида калия. Окислительно-восстановительные реакции с участием других типичных окислителей и восстановителей рассматриваются во второй части пособия (“Неорганическая химия”).

Окислительно-восстановительные реакции с участием перманганата калия

В зависимости от среды (кислая, нейтральная, щелочная) перманганат калия, выступая в качестве окислителя, дает различные продукты восстановления, рис. 7.1.

Рис. 7.1. Образование продуктов восстановления перманганата калия в различных средах

Ниже приведены реакции KMnO 4 с сульфидом калия в качестве восстановителя в различных средах, иллюстрирующие схему, рис. 7.1. В этих реакциях продуктом окисления сульфид-иона является свободная сера. В щелочной среде молекулы КОН не принимают участие в реакции, а лишь определяют продукт восстановления перманганата калия.

5 K 2 S + 2 KMnO 4 + 8 H 2 SO 4 = 5 S + 2 MnSO 4 + 6 K 2 SO 4 + 8 H 2 O,

3 K 2 S + 2 KMnO 4 + 4 H 2 O 2 MnO 2 + 3 S + 8 KOH,

K 2 S + 2 KMnO 4 – (KOH) 2 K 2 MnO 4 + S.

Окислительно-восстановительные реакции с участием дихромата калия

В кислой среде дихромат калия является сильным окислителем. Смесь K 2 Cr 2 O 7 и концентрированной H 2 SO 4 (хромпик) широко используется в лабораторной практике в качестве окислителя. Взаимодействуя с восстановителем одна молекула дихромата калия принимает шесть электронов, образуя соединения трехвалентного хрома:

6 FeSO 4 +K 2 Cr 2 O 7 +7 H 2 SO 4 = 3 Fe 2 (SO 4) 3 +Cr 2 (SO 4) 3 +K 2 SO 4 +7 H 2 O;

6 KI + K 2 Cr 2 O 7 + 7 H 2 SO 4 = 3 I 2 + Cr 2 (SO 4) 3 + 4 K 2 SO 4 + 7 H 2 O.

Окислительно-восстановительные реакции с участием пероксида водорода и нитрита калия

Пероксид водорода и нитрит калия проявляют преимущественно окислительные свойства:

H 2 S + H 2 O 2 = S + 2 H 2 O,

2 KI + 2 KNO 2 + 2 H 2 SO 4 = I 2 + 2 K 2 SO 4 + H 2 O,

Однако, при взаимодействии с сильными окислителями (такими как, например, KMnO 4), пероксид водорода и нитрит калия выступают в качестве восстановитеей:

5 H 2 O 2 + 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 = 5 O 2 + 2 MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O,

5 KNO 2 + 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 = 5 KNO 3 + 2 MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3 H 2 O.

Необходимо отметить, что пероксид водорода в зависимости от среды восстанавливается согласно схеме, рис. 7.2.

Рис. 7.2. Возможные продукты восстановления пероксида водорода

При этом в результате реакций образуется вода или гидроксид-ионы:

2 FeSO 4 + H 2 O 2 + H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 2 H 2 O,

2 KI + H 2 O 2 = I 2 + 2 KOH.

7.2.5.2 . Внутримолекулярные реакции окисления-восстановления

Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции протекают, как правило, при нагревании веществ, в молекулах которых присутствуют восстановитель и окислитель. Примерами внутримолекулярных реакций восстановления-окисления являются процессы термического разложения нитратов и перманганата калия:

2 NaNO 3 2 NaNO 2 + O 2 ,

2 Cu(NO 3) 2 2 CuO + 4 NO 2 + O 2 ,

Hg(NO 3) 2 Hg + NO 2 + O 2 ,

2 KMnO 4 K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 .

7.2.5.3 . Реакции диспропорционирования

Как выше отмечалось, в реакциях диспропорционирования один и тот же атом (ион) является одновременно окислителем и восстановителем. Рассмотрим процесс составления этого типа реакций на примере взаимодействия серы со щелочью.

Характерные степени окисления серы: – 2, 0, +4 и +6. Выступая в качестве восстановителя элементарная сера отдает 4 электрона:

S o – 4е = S 4+ .

Сера – окислитель принимает два электрона:

S o + 2е = S 2– .

Таким образом, в результате реакции диспропорционирования серы образуются соединения, степени окисления элемента в которых – 2 и справа +4:

3 S + 6 KOH = 2 K 2 S + K 2 SO 3 + 3 H 2 O.

При диспропорционировании оксида азота (IV) в щелочи получаются нитрит и нитрат – соединения, в которых степени окисления азота соответственно равны +3 и +5:

2 N 4+ O 2 + 2 КOH = КN 3+ O 2 + КN 5+ O 3 + H 2 O,

Диспропорционирование хлора в холодном растворе щелочи приводит к образованию гипохлорита, а в горячем – хлората:

Cl 0 2 + 2 KOH = KCl – + KCl + O + H 2 O,

Cl 0 2 + 6 KOH 5 KCl – + KCl 5+ O 3 + 3H 2 O.

7.3. Электролиз

Окислительно–восстановительный процесс, протекающий в растворах или расплавах при пропускании через них постоянного электрического тока, называют электролизом. При этом на положительном электроде (аноде) происходит окисление анионов. На отрицательном электроде (катоде) восстанавливаются катионы.

2 Na 2 CO 3 4 Na + О 2 + 2CO 2 .

При электролизе водных растворов электролитов наряду с превращениями растворенного вещества могут протекать электрохимические процессы с участием ионов водорода и гидроксид-ионов воды:

катод (–): 2 Н + + 2е = Н 2 ,

анод (+): 4 ОН – – 4е = О 2 + 2 Н 2 О.

В этом случае восстановительный процесс на катоде происходит следующим образом:

1. Катионы активных металлов (до Al 3+ включительно) не восстанавливаются на катоде, вместо них восстанавливается водород.

2. Катионы металлов, расположенные в ряду стандартных электродных потенциалов (в ряду напряжений) правее водорода, при электролизе восстанавливаются на катоде до свободных металлов.

3. Катионы металлов, расположенные между Al 3+ и Н + , на катоде восстанавливаются одновременно с катионом водорода.

Процессы, протекающие в водных растворах на аноде, зависят от вещества, из которого сделан анод. Различают аноды нерастворимые (инертные ) и растворимые (активные ). В качестве материала инертных анодов используют графит или платину. Растворимые аноды изготавливают из меди, цинка и других металлов.

При электролизе растворов с инертным анодом могут образовываться следующие продукты:

1. При окислении галогенид-ионов выделяются свободные галогены.

2. При электролизе растворов, содержащих анионы SO 2 2– , NO 3 – , PO 4 3– выделяется кислород, т.е. на аноде окисляются не эти ионы, а молекулы воды.

Учитывая вышеизложенные правила, рассмотрим в качестве примера электролиз водных растворов NaCl, CuSO 4 и KOH с инертными электродами.

1). В растворе хлорид натрия диссоциирует на ионы.