Основно съдържание

Курс: Химична библиотека > Раздел 5

Урок 5: Видове химични реакции

Окислително-редукционни процеси

Какво е окислително-редукционен процес?

Един окислително-редукционен процес (или редукционна реакция) е реакция, която включва пренос на електрони между атомите, йоните или молекулите в реакцията. Редукционните процеси протичат навсякъде около нас: горенето на горивата, корозията на металите и дори процесите на фотосинтеза и клетъчно дишане включват окисление и редукция. Някои примери за често срещани редукционни процеси са показани по-долу.

CH_{4} + 2 O_{2} \to CO_{2} + 2 H_{2} O (горене на метан)

2 Cu + O_{2} \to 2 CuO (окисление на мед)

6 CO_{2} + 6 H_{2} O \to C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} (фотосинтеза)

По време на окислително-редукционна реакция някои елементи преминават през окисление (отдават електрони), докато други преминават през редуциране (получават електрони). Например виж реакцията между желязото и кислорода за образуване на ръжда:

4 Fe + 3 O_{2} \to 2 Fe_{2} O_{3} (ръждясване на желязото)

В тази реакция неутралното

Fe

губи електрони, за да образува

Fe^{3 +}

йони и неутралният

O_{2}

получава електрони, за да образува

O^{2 -}

йони. С други думи желязото се окислява, а кислородът се редуцира. Важно е, че окислението и редукцията не протичат само между метали и неметали. Електроните могат също да се движат между неметали, както е показано в примерите с горенето и фотосинтезата по-горе.

Степени на окисление

Как можем да определим дали определена реакция е окислително-редукционна? В някои случаи е възможно да кажем само като я погледнем. Например можем да определим, че ръждясването на желязото е окислително-редукционен процес просто като забележим, че включва образуването на йони (

Fe^{3 +}

O^{2 -}

) от свободни елементи (

Fe

O_{2}

). Но в други случаи не е толкова очевидно, особено когато въпросната реакция включва само неметални вещества.

В помощ за идентифицирането на тези по-малко очевидни окислително-редукционни реакции химиците са развили концепцията за степени на окисление, което представлява начин да следим електроните преди и след реакцията. Степента на окисление (или оксидационното състояние) е въображаем заряд, който атомът би имал, ако всички връзки на атома бяха напълно йонни. Степените на окисление могат да бъдат поставени към атомите в една реакция, като използваме следните ръководни принципи:

Атом на свободен елемент има степен на окисление $0$ ‍. Например всеки $Cl$ ‍ атом в $Cl_{2}$ ‍ има степен на окисление $0$ ‍. Същото е вярно за всеки $H$ ‍ атом в $H_{2}$ ‍, всеки $S$ ‍ атом в $S_{8}$ ‍ и така нататък.
Моноатомен йон има степен на окисление равна на заряда му. Например степента на окисление на $Cu^{2 +}$ ‍ е $+ 2$ ‍ и степента на окисление на $Br^{-}$ ‍ е $- 1$ ‍.
Когато са комбинирани с другите елементи, алкалните метали (Група $1 A$ ‍) винаги имат степен на окисление $+ 1$ ‍, докато алкалоземните метали (Група $2 A$ ‍) винаги имат степен на окисление $+ 2$ ‍.
Флуорът има степен на окисление от $- 1$ ‍ във всички съединения.
Водородът има степен на окисление $+ 1$ ‍ в повечето съединения. Главното изключение е когато водородът е комбиниран с метали като в $NaH$ ‍ или $LiAlH_{4}$ ‍. В тези случаи степента на окисление на водорода е $- 1$ ‍.
Кислородът има степен на окисление $- 2$ ‍ в повечето съединения. Главното изключение е в пероксидите (съединения, които съдържат $O_{2}^{2 -}$ ‍), където кислородът има степен на окисление $- 1$ ‍. Примери за често срещани пероксиди са $H_{2} O_{2}$ ‍ и $Na_{2} O_{2}$ ‍.
Другите халогени ( $Cl$ ‍, $Br$ ‍ и $I$ ‍) имат степен на окисление $- 1$ ‍ в съединения, освен ако не са комбинирани с кислород или флуор. Например степента на окисление на $Cl$ ‍ в йона $ClO_{4}^{-}$ ‍ е $+ 7$ ‍ (тъй като $O$ ‍ има степен на окисление $- 2$ ‍ и цялостният заряд на йона е $- 1$ ‍).
Сборът от степените на окисление за всички атоми в неутрално съединение е равен на нула, докато сборът им за всички атоми в полиатомен йон е равен на заряда на йона. Разгледай полиатомния йон $NO_{3}^{-}$ ‍. Всеки $O$ ‍ атом има степен на окисление $- 2$ ‍ (общо, $- 2 \times 3 = - 6$ ‍). Тъй като цялостният заряд на йона е $- 1$ ‍, степента на окисление на $N$ ‍ атом трябва да е $+ 5$ ‍.

Едно нещо, което да отбележим, е, че степените на окисление се записват със знака (

+

или

-

) преди числото. Това се различава от зарядите на йоните, които се пишат със знак след числото. Сега да видим някои примери за определяне на степени на окисление!

Пример 1: Определяне на степени на окисление

Каква е степента на окисление на всеки атом в (а) $SF_{6}$ ‍, (б) $H_{3} PO_{4}$ ‍ и (в) $IO_{3}^{-}$ ‍?

За да определим степените на окисление на атомите във всяко съединение, нека следваме указанията, предоставени по-горе.

(a) Знаем, че степента на окисление на

F

- 1

(принцип 4). Понеже сборът от степените на окисление на шестте

F

атома е

- 6

SF_{6}

е неутрално съединение, степента на окисление на

S

трябва да е

+ 6

\begin{aligned} S F_{6} \\ + 6 - 1 \end{aligned}

(б) Степента на окисление на

H

+ 1

(принцип 5) и степента на окисление на

O

- 2

(принцип 6). Сборът от тези степени на окисление е

3 (+ 1) + 4 (- 2) = - 5

. Тъй като

H_{3} PO_{4}

няма сумарен заряд, степента на окисление на

P

трябва да е

+ 5

\begin{aligned} H_{3} P O_{4} \\ + 1 + 5 - 2 \end{aligned}

(в) Степента на окисление на

O

- 2

(принцип 6), така че сборът от степените на окисление на трите

O

атома е

- 6

. Тъй като сумарният заряд на

IO_{3}^{-}

- 1

, степента на окисление на

I

трябва да е

+ 5

\begin{aligned} I O_{3}^{-} \\ + 5 - 2 \end{aligned}

Проверка на понятията: Каква е степента на окисление на въглеродния атом в $CO_{3}^{2 -}$ ‍?

Както обикновено, степента на окисление на

O

- 2

(принцип 6). Сборът от степените на окисление на трите

O

атома е

- 6

и цялостният заряд на

CO_{3}^{2 -}

- 2

, така че степента на окисление на

C

атом трябва да е

+ 4

\begin{aligned} C O_{3}^{2 -} \\ + 4 - 2 \end{aligned}

Разпознаване на окислително-редукционни процеси

Как използваме степените на окисление, за да идентифицираме окислително-редукционните реакции? За да разберем, нека разгледаме реакцията между желязото и кислорода, този път поставяйки степени на окисление на всеки атом в уравнението:

\begin{aligned} 4 Fe + 3 O_{2} \to 2 Fe_{2} O_{3} \\ 0 0 + 3 - 2 \end{aligned}

Забележи как желязото (което вече знаем, че се окислява в тази реакция) се променя от степен на окисление

0

на степен на окисление

+ 3

. Подобно, кислородът (който знаем, че се редуцира) се променя от степен на окисление

0

в степен на окисление

- 2

. От това можем да заключим, че окислението включва повишаване на степента на окисление, докато редукцията включва понижаване на степента на окисление.

Тоест можем да идентифицираме окислително-редукционните реакции, като гледаме за промени в степените на окисление в хода на реакцията. Нека проучим тази идея допълнително в следващия пример.

Пример 2: Използване на степените на окисление за идентифициране на окисление и редукция

Разгледай следната реакция:

4 NH_{3} + 5 O_{2} \to 4 NO + 6 H_{2} O

Окислително-редукционна ли е тази реакция? Ако е, кой елемент в реакцията бива окислен и кой елемент е редуциран?

Взимайки предвид, че това е статия за окислително-редукционни реакции, реакцията вероятно е окислително-редукционна! Но нека го докажем, като поставим степени на окисление на атомите на всеки елемент в уравнението:

\begin{aligned} 4 NH_{3} + 5 O_{2} \to 4 NO + 6 H_{2} O \\ - 3 + 1 0 + 2 - 2 + 1 - 2 \end{aligned}

Степените на окисление на

N

O

са различни от двете страни на уравнението, така че това определено е окислително-редукционна реакция! Степента на окисление на

N

се увеличава от

- 3

на

+ 2

, което означава, че N губи електрони и бива окислен по време на реакцията. Степента на окисление на

O

намалява от

0

на

- 2

, което означава, че

O

получава електрони и бива редуциран по време на реакцията.

Резюме

Най-честите степени на окисление на ванадия са $+ 5$ ‍ (жълто), $+ 4$ ‍ (синьо), $+ 3$ ‍ (зелено) и $+ 2$ ‍ (лилаво). Изображение: "Vanadium oxidation states" by W. Oelen on Wikimedia Commons, CC BY-SA-3.0.

Окислително-редукционните процеси, често наричани и редукционни реакции, са реакции, които включват пренос на електрони от един атом на друг. Атомът, който губи електрони, се нарича окислен, докато атомът, който придобива електрони, се нарича редуциран. Можем да идентифицираме редукционните реакции, като използваме степените на окисление, които се поставят към атомите в молекулите, като приемем, че всички връзки в атомите са йонни. Увеличението на степента на окисление по време на реакция съответства на окисление, докато намалението съответства на редукция.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.