refberry.ru

Окислители и восстановители

Элементы, находящиеся в высшей степени окисленности, могут только восстанавливаться, так как их атомы способны лишь принимать электроны: сера в степени окисленности +6 (H2SO4), азот +5 (HNO3 и нитраты), марганец +7 (перманганаты), хром+6 (хроматы и дихроматы), свинец +4 (РЬО2) и др.

Напротив, элементы, находящиеся в низшей степени окисленности, могут только окисляться, поскольку их атомы способны лишь отдавать электроны: сера в степени окисленности —2 (H2S и сульфиды), азот —3 (NH3 и его производные), иод —1 (HI и иодиды) и др.

Вещества, содержащие элементы в промежуточных степенях окисленности, обладают окислительно-восстановительной двойственностью. Такие вещества способны и принимать и отдавать электроны, в зависимости от партнера, с которым они взаимодействуют, и от условий проведения реакции.

Ниже характеризуются некоторые наиболее важные окислители и восстановители.

Окислители 1. Окислительные свойства характерны для типичных неметаллов (F2, С12, Вг2, I2, О2) в элементарном (свободном) состоянии. Галогены, выступая в качестве окислителей, приобретают степень окисленности —1, причем от фтора к иоду окислительные свойства ослабевают:

2F2 + 2Н2О = 4HF + О2

4С12 + H2S + 4Н2О = 8НС1 + H2S04

I2 + H2S=2HI + S

Кислород, восстанавливаясь, переходит в состояние окисленности —2 (Н2О или ОН-);

4ΝН3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О

4FeS04 + О2 + 2Н2О = 4 (FeOH) SO4

2.Среди кислородсодержащих кислот и их солей к наиболее важным окислителям относятся КМпО4, К2СгО4, К2Сг2О7, концентрированная серная кислота, азотная кислота и нитраты, кислородсодержащие кислоты галогенов и их соли.

Перманганат калия, проявляя окислительные свойства за счет Mn(VII), восстанавливается до разных продуктов в зависимости от кислотности среды: в кислой среде — до Мп2+ (степень окисленности марганца +2), в нейтральной и слабощелочной — до МnО2 (степень окисленности +4), в сильнощелочной — до манганат-иона МnО42- (степень окисленности +6):

5K2SO3 + 2КМnО4 + 3H2SO4 = 6K2SO4 + 2MnSO4 + ЗН2О

ЗК2 S O3 + 2КМnО4 + Н2О = ЗК2 S О4 + 2MnO2 + 2KOH

K2SO3 + 2КМn04 + 2КОН = K2SO4 + 2К2МnО4 + Н20

Хромат и дихромат калия (К2СгО4 и К2Сг2О7) выступают в роли окислителей в кислой среде, восстанавливаясь до иона Сг3+, Поскольку в кислой среде равновесие:2СгО42- + 2Н+ ↔ Сг2О72- + Н2О

смещено вправо, то окислителем служит ион Сг2О72-

К2Сг207 + 3H2S + 4H2S04 = Cr2(S04)3 + 3S + K2SO4 + 7H2O

Концентрированная серная кислота проявляет окислительные свойства за счет серы в степени окисленности +6, которая может восстанавливаться до степени окисленности +4 (SО2 ), 0 (свободная сера) или —2 (H2S). Состав продуктов восстановления определяется главным образом активностью восстановителя, а также соотношением количеств восстановителя и серной кислоты, концентрацией кислоты и температурой системы. Чем активнее восстановитель и выше концентрация кислоты, тем более глубоко протекает восстановление. Так, малоактивные металлы (Си, Sb и др.), а также бромоводород и некоторые неметаллы восстанавливают концентрированную серную кислоту до SO2:



Си + 2H2SO4 == CuSO4 + S02 + 2H2O

2HBr + H2SO4 = Br2 + SO2 + 2H2O

С (уголь) + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O

Активные металлы (Mg, Zn.) восстанавливают концентрированную H2SO4 до свободной серы или сероводорода:

3Mg + 4H2SO4 = 3MgSO4 + S + 4H2O

4Zn + 5H2SO4 = 4ZnSO4 + H2S + 4H2O

Азотная кислота проявляет окислительные свойства за счет азота в степени окисленности +5, причем окислительная способность HNO3 усиливается с ростом ее концентрации. В концентрированном состоянии азотная кислота окисляет большинство элементов до их высшей степени окисленности. Состав продуктов восстановления HNO3 зависит от активности восстановителя и концентрации кислоты; чем активнее восстановитель и более разбавлена кислота, тем глубже протекает восстановление азота:

концентрация кислоты

<---------------- .

NO2 NO N2O N2 NH4+

.---------------- >

активность восстановителя

Поэтому при взаимодействии концентрированной НΝ03 с неметаллами или с малоактивными металлами образуется диоксид азота:

Р+5HNO3=Н3РО4+5N02+H2О
Ag+ 2HN03 = AgN03 + NO2 + H2O

При действии более разбавленной азотной кислоты на малоактивные металлы может выделяться оксид азота (II)

ЗСи + 8НΝО3 (35%-ная) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4Н2О,

а в случае активных металлов — оксид азота(1) или свободный азот

4Zn + 10НΝО3(разб.) = 4Zn(NO3)2 + N2O + 5Н2О

5Zn + 12HNO3 (разб.) = 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Сильно разбавленная азотная кислота при действии ее на активные металлы может восстанавливаться до иона аммония, образующего с кислотой нитрат аммония:

4Mg +10НΝОз (очень разб.) = 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + ЗН2О

В отличие от иона SO42-, ион NO3- проявляет окислительные свойства не только в кислой, но и в щелочной среде. При этом в растворах ион ΝОз восстанавливается активными металлами до ΝНз



4Zn + NaNO3 + 7NaOH + 6Н2О = 4Na2 [Zn(OH)4] + NH3,

а в расплавах — до соответствующих нитритов:

Zn + KNO3 + 2КОН = K2ZnO2 + KNO2 + H2O

Кислородсодержащие кислоты галогенов (например, НОС1, НСlО3, НВгО3) и их соли, действуя в качестве окислителей, обычно восстанавливаются до степени окисленности галогена —1 (в случае хлора и брома) или 0 (в случае иода):

КСlО3 + 6FeSO4 + 3H2SO4 = КС1 + 3Fe2(SO4)3 + 3H2O

KBrO + МпС12 + 2КОН = KBr + MnO2 + 2KC1 + H2O

HIO3 + 5HI = 3I2 + 3H2O

3.Водород в степени окисленности +1 выступает как окислитель преимущественно в растворах кислот (как правило, при взаимодействии с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода):

Mg + H2SO4 (разб.) =MgSO4 + Н2

Однако при взаимодействии с сильными восстановителями в качестве окислителя может проявлять себя и водород, входящий в состав воды:

2К + 2Н2О = 2КОН + Н2

4. Ионы металлов, находящиеся в высшей степени окисленности (например, Fe3+, Cu2+, Hg2+), выполняя функцию окислителей, превращаются в ионы с более низкой степенью окисленности:

2FeCl3 + H2S == 2FeCl2 + S + 2HC1

2HgCl2 + SnCl2 = Hg2Cl2 + SnCl4

Восстановители

1. Среди элементарных веществ к типичным восстановителям принадлежат активные металлы(щелочные и щелочноземельные, цинк, алюминий, железо и др.), а также некоторые неметаллы, такие, как водород, углерод (в виде угля или кокса), фосфор, кремний. При этом в кислой среде металлы окисляются до положительно заряженных ионов, а в щелочной среде те металлы, которые образуют амфотерные гидроксиды (например, цинк, алюминий, олово), входят в состав отрицательно заряженных анионов или гидроксокомплексов. Углерод чаще всего окисляется до СО или
СО2, а фосфор, при действии сильных окислителей,—до Н3РО4.

2. В бескислородных кислотах (НС1, НВг,HI, H2S) и их солях носителями восстановительной функции являются анионы, которые, окисляясь, обычно образуют элементарные вещества. В ряду галогенид-ионов восстановительные свойства усиливаются от С1 -до I -

3. Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов, содержащие ион Н-, проявляют восстановительные свойства, легко окисляясь до свободного водорода:

СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2

4. Металлы в низшей степени окисленности (ионы Sn2+, Fe2+, Cu+, Hg2+ и др.), взаимодействуя с окислителями, способны повышать свою
степень окисленности:

SnCl2+Cl2 = SnCl4

5FеС12 + КМпО4 + 8НС1 (разб.) == 5FеС13 + МпС12 + КС1 + 4Н2О

Окислительно-восстановительная двойственность

Ниже приведены типичные примеры соединений, способных проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

1. Иод в свободном состоянии, несмотря на более выраженную окислительную функцию, способен при взаимодействии с сильными окислителями играть роль восстановителя, например:

I2 + 5Сl2 + 6Н2О = 2НIО3 + 10НС1

Кроме того, в щелочной среде для всех галогенов, исключая фтор, характерны реакции диспропорционирования:

С12 + 2КОН = КОС1 + KC1 + Н2О (на холоду)

ЗС12 + 6КОН = КС1О3 + 5КС1 + ЗН20 (при нагревании)

2. Пероксид водорода Н2О2 содержит кислород в степени окисленности —1, который в присутствии восстановителей может понижать степень окисленности до —2, а при взаимодействии с окислителями способен повышать степень окисленности и превращаться в свободный кислород:

5Н2О2 + I2= 2НIО3 + 4Н2О (Н2О2 — окислитель)

ЗН2О2 + 2КМп04 == 2МпО2 + 2КОН + ЗО2 + 2Н2О

(Н2О2 восстановитель)

3. Азотистая кислота и нитриты, выступая в качестве восстановителей за счет иона NQ2 -окисляются до азотной кислоты или ее солей:

5НΝО2 + 2КМпО4 + 3H2S04 = 5НΝО3 + 2MnS04 + K2SO4 + 3H2O

Действуя в качестве окислителя, ион NO2- восстанавливается обычно до NO, а в реакциях с сильными восстановителями — до более низких степеней окисленности азота: ,

2NaN02 + 2NaI + 2H2SO4 = 2NO + I2 + 2Nа2SO4 + 2H2O

Задачи

122. На основе электронного строения атомов указать, могут ли быть окислителями: атомы натрия, катионы натрия, кислород в степени окисленности —2,иод в степени окисленности 0, фторид-ионы, катионы водорода, нитрит-ионы, гидрид-ионы.

123. Какие из перечисленных ионов могут служить восстановителями, а какие не могут и почему: Си2+, Sn2+,Сl-, VОз, S2-, Fe2+, WО42-, IO4-, Al3+, Hg2+, Hg22+?

124. Какие из перечисленных веществ и за счет каких элементов проявляют обычно окислительные свойства и какие — восстановительные? Указать те из них, которые обладают окислительно-восстановительной 'двойственностью: H2S, S02, CO, Zn, F2, NaNO2, KMnO4, HOC1, H3SbO3.

125. Указать, в каких из следующих реакций пероксид водорода служит окислителем, а в каких — воостановителем:

а) I2 + Н2О2 →НIО3 + Н20

б) РЬО2 + Н2О2 →РЬ(ОН)2 + 02

в)КС1О3 + Н2О2 →КС1 + О2 + Н2О

г) КМп04 + Н2О2 → МпО2 + КОН + О2 + Н2О

126. Указать, в какой из приведенных реакций гидразин N2H4 служит окислителем, и в какой — восстановителем:

N2H4 + 4AgNO3 + 4КОН = N2 + 4Ag + 4KNO3 + 4H2O

N2H4 + Zn + 2KOH + 2H2O = 2NH3 + K2[Zn(OH)4]

Как изменяется в каждом случае степень окисленности азота?



001500843.html

001500853.html