Окисники й відновники – ОКИСНО-ВІДНОВНІ ПРОЦЕСИ

Хімія підготовка до ЗНО та ДПА
Комплексне видання

ЧАСТИНА І

ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

ОКИСНО-ВІДНОВНІ ПРОЦЕСИ

Окисники й відновники

Розгляньмо, які речовини можуть виступати в ролі окисників та відновників.

Окисники

Окисниками можуть бути частинки, які здатні приймати електрони. До таких частинок належать: 1) нейтральні атоми та молекули неметалів; 2) позитивно заряджені іони металів, складні іони та молекули, що містять атоми елементів з вищим або проміжним ступенем окиснення.

Нейтральні атоми як окисники

Типовими

окисниками є атоми елементів, на зовнішньому електронному рівні яких міститься від 4 до 7 електронів. Зі збільшенням числа електронів на зовнішньому рівні атомам необхідно прийняти менше електронів до утворення стійкого октету. Тому чим більше електронів на зовнішньому рівні, тим сильніше виражені окисні властивості атомів. Серед простих речовин найсильнішими окисниками є речовини, утворені елементами 6 та 7 груп Періодичної системи. Атоми цих елементів приймають один або два електрони. Найслабшими окисниками є атоми 4 групи, вони приймають чотири електрони.

Нагадаємо, що в групах Періодичної

системи окисні властивості зменшуються зі зростанням атомних радіусів (зі збільшенням атомного номера), а в періодах зі збільшенням атомного номера окисні властивості збільшуються, тому серед простих речовин найсильніший окисник – флуор.

Катіони як окисники

Позитивно заряджені іони металів тією чи іншою мірою володіють окисною здатністю, тобто здатні приймати електрони – відновлюватися. Серед них найсильнішими окисниками є іони металів з найвищим ступенем окиснення.

Наприклад, для іонів металів Fe2+, Сr3+ характерні відновні властивості, а для іонів Сu2+, Fe3+ – окисні (оскільки ці метали в даному разі перебувають у вищому ступені окиснення).

Так, у реакції FeSO4 + КМnO4 + H2SO4 відновником є іон Fe2+, а в реакції FeCl3 + KI окисником є Fe3+:

Також дуже часто в ролі окисника виступають заряджені іони гідрогену Н+, наприклад, у реакціях металів з водними розчинами багатьох кислот:

Аналогічно в реакціях активних металів з водою:

Або водними розчинами лугів:

Аніони як окисники

Типовими окисниками є аніони, до складу яких входять атоми перехідних металів з вищим ступенем окиснення, наприклад: КМnО, (Мn+7), К2Сr2O7 (Сr+6) тощо.

Сильними окисниками є також іони або молекули, що містять неметали з позитивним ступенем окиснення (вищим або проміжним), наприклад нітратна кислота HNO3 (N+5), концентрована сульфатна кислота H2SO4 (S+6), бертолетова сіль КСlO3 (Сl+5) тощо.

Найпоширеніші окисники, які часто використовують у техніці або в лабораторіях:

1. Кисень (O2) використовують у багатьох хімічних виробництвах. Ще більш сильним окисником є інша алотропна модифікація Оксигену – озон. У реакціях атоми Оксигену приймають два електрони, утворюючи найчастіше частинку О-2 або, рідше, О22-:

2. Нітратна кислота HNO3 є одним з найсильніших окисників. Вона окислює багато металів, а в суміші з хлоридною кислотою (царська горілка) здатна окислювати навіть малоактивні метали, наприклад золото. У реакціях може відновлюватися до нітроген діоксиду NO2, нітроген монооксиду NO, азоту N2, амоніаку NH3.

3. Концентрована сульфатна кислота H2SO4 належить до числа досить сильних окисників, особливо при нагріванні. Проявляючи окисні властивості, сульфатна кислота найчастіше відновлюється до сульфур діоксиду SO2, а з більш сильними відновниками може відновлюватися до сірки S або до сірководню H2S.

4. Манган(ІV) оксид МnO2 використовують у лабораторних умовах при добуванні хлору з хлоридної кислоти. У реакціях відновлюється до іона Мангану Мn2+.

5. Калій перманганат КМnO4 є дуже сильним окисником і широко використовується в лабораторіях. Продукти відновлення КМnO4 залежать від середовища, в якому відбувається реакція. В основному відновлюється до калій манганату К2МnO4, манган(ІV) оксиду МnO2, іона Мангану Мn2+.

6. Калій хромат К2СrO4 та калій дихромат К2Сr2O7 широко використовують у лабораторіях. Продуктом відновлення є іон Хрому Сr3+.

7. Галогени (F2, Сl2, Вr2) та оксигеновмісні сполуки Хлору й Брому, наприклад КСlO4, КСlO3, КСlO, NaBrO3, NaBrO.

Відновники

Відновниками можуть бути частинки, які здатні віддавати електрони. До таких частинок належать: 1) нейтральні атоми металів та, в деяких випадках, неметалів; 2) негативно заряджені іони неметалів; 3) позитивно заряджені іони металів у проміжному ступені окиснення; 4) складні іони та молекули, що містять атоми елементів у проміжному ступені окиснення.

Нейтральні атоми як відновники

Відновниками є атоми, на зовнішньому енергетичному рівні яких є від 1 до 3 електронів. До цієї групи відновників належать метали. Відновні властивості можуть виявляти й неметали, наприклад, водень, вуглець, бор тощо. У хімічних реакціях усі вони віддають електрони за такою схемою:

Е – n → Еn+.

Сильними відновниками є атоми, які мають великі атомні радіуси. До них належать атоми елементів двох перших груп Періодичної системи (лужні й лужноземельні метали), а також Al, Fe та Zn.

У групах Періодичної системи відновна здатність нейтральних атомів зростає зі збільшенням радіуса атома. Так, у ряді Na – Fr більш слабким відновником є Na, а більш сильним – Fr. У періодах зі збільшенням атомного номера відновна здатність зменшується, а отже, найсильнішим відновником з-поміж усіх елементів Періодичної системи є Францій.

Аніони як відновники

Сильними відновниками можуть бути також негативно заряджені іони неметалів Еn-, які зазвичай перебувають у нижчому ступені окиснення, оскільки за певних умов вони можуть віддавати не тільки слабко утримувані надлишкові електрони, але й електрони зі свого зовнішнього рівня. При цьому, чим активніший неметал як окисник, тим слабша відновна здатність його аніонів. І навпаки, чим менш активний неметал як окисник, тим більш активним відновником є його аніон.

При однаковій величині заряду негативно заряджених іонів відновна здатність зростає зі збільшенням радіуса атома. Наприклад, у групі галогенів іон I – має найбільшу відновну здатність порівняно з іонами Br-, Cl – і F-, причому F – відновних властивостей у хімічних реакціях взагалі не виявляє.

Також відновні властивості можуть виявляти оксигеновмісні аніони й молекули, до складу яких входять метали та неметали в проміжному ступені окиснення, наприклад, МnO2 (Мn+4), МnО42- (Мn+6), SO32- i SO2 (S+4), СlO3- (Сl+5), СО (C+2),NO (N+2), NO2- (N+3).

Катіони як окисники

Відновні властивості можуть виявляти іони металів з нижчою валентністю, наприклад:

Найпоширеніші відновники, які часто використовують у техніці або в лабораторіях:

1. Вуглець широко використовують для відновлення металів та неметалів з оксидів:

2. Карбон монооксид відіграє важливу роль у металургії при відновленні металів з їхніх оксидів:

3. Натрій сульфіт Na2SO3, натрій гідрогенсульфіт NaHSO3 і натрій тіосульфат Na2S2O3 широко використовують як відновники: другий – у текстильній промисловості, а третій – у фотографії й дуже часто з аналітичною метою для кількісного визначення йоду:

4. Активні метали, наприклад натрій, використовують у промисловості для добування простих речовин, утворених елементами підгрупи Титану:

А алюміній широко використовують у реакціях алюмінотермії для добування металів:

5. Водень. Сьогодні водень використовують у промислових масштабах для добування чистого вольфраму, молібдену, германію:

Як бачимо, дуже багато речовин залежно від умов можуть виявляти або окисні, або відновні властивості. Найчастіше, якщо така речовина взаємодіє з більш сильним окисником, вона виявляє відновні властивості, а якщо з більш сильним відновником, то – окисні. Іноді визначити, які властивості (окисні чи відновні) більш характерні для речовини, досить складно без певного досвіду.