Окислително-редукционни процеси

Същност на окислително-редукционните процеси

Химични процеси, протичащи с преход на електрони (е) от един вид атоми или йони към друг вид атоми или йони се наричат окислително-редукционни. Те протичат с промяна в степента на окисление на атомите или йоните. Изразяват се с химични уравнения, в които се означава степента на окисление на участващите атоми и йони и чрез стрелка, над която се изписва броят на пренесените електрони да се показва посоката, в която се пренасят електроните. Например при взаимодействие между натрий и хлор има пренос на електрони – натриевите атоми отдават по един & #275;, а хлорните – приемат по един & #275;. Това води до промяна в степента на окисление на тези атоми. Степента на окисление на натриевите атоми се повишава от нула до +1, а на хлорните атоми се понижава от нула до -1.
Взаимодействието на солна киселина и натрий също протича с промяна в степените на окисление на участващите атоми и йони. Това се осъществява защото натриевите атоми отдават електрони, а водородните йони приемат тези електрони.
При протичане на окислително-редукционните процеси има баланс между броя на отдадени и приети електрони – борят на отдадените & #275; е равен на броя приети & #275;. Това означава, че не може да има отдаване на & #275; без те да бъдат приети.
Процесът на отдаване на електрони се нарича окисление, а този на приемане на електрони – редукция. Тези процеси са взаимно свързани и протичат като един окислително-редукционен процес. Не може да има окисление без редукция, и обратно.
В едни случаи преходът на електрони е пълен и атомите се превръщат в йони. В други случаи преходът на електрони е частичен и затова атомите на реагиращите вещества получават само частичен електричен заряд. Например при взаимодействие между водород и хлор преходът е частичен, за разлика от пълния преход при взаимодействие на натрий и хлор.
Макар и формална, величината степен на окисление позволява да се представят настъпилите промени при електронния преход. Степен на окисление е формалният заряд (положителен или отрицателен), който се приписва на атомите в състава на съединенията, ако всички връзки се приемат за йонни. Окислително-редукционните процеси могат да бъдат изразени и чрез електронно-йонни уравнения:
2Na0 + Cl20 & #8594;2Na+1Cl-1
Редуктор 2Na0 – 2.1& #275;& #8594; 2Na+1, процес окисление
Окислител Cl20 + 2.1& #275;& #8594;2Cl-1, процес редукция
2Na0 + 2H+Cl- & #8594; 2Na+Cl- + H20
Редуктор 2Na0 – 2.1& #275;& #8594; 2Na+, процес окисление
Окислител 2H+ + 2.1& #275;& #8594;H20, процес редукция
H20 + Cl20 & #8594; 2H+1Cl-1
Редуктор H20 – 2.1& #275;& #8594; 2H+1, процес окисление
Окислител Cl20 + 2.1& #275;& #8594; 2Cl-1, процес редукция


Окислители и редуктори

Редуктори се наричат атоми или йони, които при химични процеси отдават електрони и повишават степента си на окисление. Те се окисляват.
2Na0 + Cl20 & #8594; 2Na+1Cl-1
Редуктор 2Na0 – 2.1& #275; & #8594; 2Na+1, процес окисление
Окислител Cl20 + 2.1& #275; & #8594; 2Cl-1, процес редукция
2Na0 + 2H+Cl- & #8594; 2Na+Cl- + H20
Редуктор 2Na0 – 2.1& #275; & #8594; 2Na+, процес окисление
Окислител 2H+ + 2.1& #275; & #8594; H20, процес редукция
H20 + Cl20 & #8594; 2H+1Cl-1
Редуктор H20 – 2.1& #275; & #8594; 2H+1, процес окисление
Окислител Cl20 + 2.1& #275; & #8594; 2Cl-1, процес редукция

В посочените примери редуктори са Na0 и H20.
Окислители се наричат атоми или йони, които при химични процеси приемат електрони и понижават степента си на окисление. Те се редуцират.
2Na0 + Cl20 & #8594; 2Na+1Cl-1
Редуктор 2Na0 – 2.1& #275; & #8594; 2Na+1, процес окисление
Окислител Cl20 + 2.1& #275; & #8594; 2Cl-1, процес редукция
2Na0 + 2H+Cl- & #8594; 2Na+Cl- + H20
Редуктор 2Na0 – 2.1& #275; & #8594; 2Na+, процес окисление
Окислител 2H+ + 2.1& #275; & #8594; H20, процес редукция
H20 + Cl20 & #8594; 2H+1Cl-1
Редуктор H20 – 2.1& #275; & #8594; 2H+1, процес окисление
Окислител Cl20 + 2.1& #275; & #8594; 2Cl-1, процес редукция

В посочените примери окислители са Cl20 и H+.

Окислителни и редукционни свойства на химичните елементи

Като окислители се проявяват атомите на неметалите, някои положителни йони (Ag+, H+, Cu2+ и др), както и йони, основният елемент в които може да понижи степента си на окисление (Fe3+, Mn04-, SO42- и др).
В главните процеси с нарастване на поредния номер на елементите с неметален химичен характер, нараства атомният радиус и намалява способността на атомите да приемат електрони – намалява окислителната им активност.
По периоди с нарастване на поредния номер намалява атомният радиус и расте броят на валентните електрони. Това води до нарастване способността на атомите да приемат електрони – расте окислителната им активност.
Редуктори са атомите на металите, водорода и някои по-слабо активни неметали, като въглерод, фосфор, сицилии и други, както и положителни и отрицателни йони, съдържащи атом можещ да повишава степента си на окисление (Fe2+, NO2-, SO32- и други).
В главните групи на периодичната система с нарастване на поредния номер на елементите с метален характер, нараства атомният градус и се засилва способността им да отдават електрони – расте редукционната им активност.
По периоди с нарастване на поредния номер на химичните елементи атомите все по-трудно отдават валентните си електрони – отслабва тяхната редукционна способност.
Има атоми на химични елементи, които могат да приемат и да отделят електрони. Те се проявяват като окислители или редуктори според веществата, с които реагират. Например H0, S0, C0 и др.
H20 + 2Na0 & #8594; 2Na+1H-1
Окислител H20 + 2.1& #275; & #8594; 2H-1
Редуктор 2Na0 – 2.1& #275; & #8594; 2Na+1
H20+S0 & #8594; H2+1S-2
Редуктор H20 – 2.1& #275; & #8594; 2H+1
Окислител S0 + 2& #275; & #8594; S-2
S0 + O20 & #8594; S+4O2-2
Редуктор S0 – 4& #275; & #8594; S+4
Окислител O20 + 2.2& #275; & #8594; 2O-2

Атомите на йоните, които могат да се проявяват и като редуктори и като окислители се намират в междинна степен на окисление. Те могат както да понижават, така и да повишават своята степен на окисление.

Окислително-редукционни процеси в разтвори на електролити

Посока на окислително-редукционните процеси

Посоката на окислително-редукционните процеси се определя от посоката на електронния преход. Този преход винаги е от редуктора към окислителя. Проявата на веществата като окислители и редуктори зависи от строежа на атомите им.
Разтворите на електролити участват и в окислително-редукционни реакции. Качествена оценка за посоката на такива процеси може да се прави чрез реда на относителната активност на металите и техните йони, изваден по експериментален път.
При поставяне на желязна пластина в разтвор на меден дихидрид се наблюдава постепенно избледняване на синия цвят на разтвора и полепване на червен метал по повърхността на желязото. Железните атоми отдават електрони и се превръщат в йони, а медните йони от разтвора приемат електрони и се превръщат в медни атоми.
Железните атоми се проявяват като редуктори, а медните йони – като окислители. Протекъл е окислително-редукционен процес в разтвора на електролита меден дихлорид.
Fe0 + Cu2+ & #8594; Fe2+ + Cu0
Редуктор Fe0 – 2& #275; & #8594; Fe2+
Окислител Cu2+ + 2& #275; & #8594; Cu0
Желязото е по-силен редуктор от медта, защото неговите атоми по-слабо задържат валентните си електрони.
Ако медна пластина се потопи в разтвор на железен дихлорид промени не се наблюдават – не протича окислително-редукционен процес. Този опит доказва извода от първия опит, че желязото е по-силен редуктор от медта.
Ако медна пластина се потопи в разтвор на сребърен нитрат се наблюдава постепенно оцветяване на разтвора в синьо и отделяне на кристалчета сребро върху медната пластина. Медните атоми по-слабо задържат валентните си електрони от сребърните. Те отдават „е” и се превръщат в Cu2+ (медни йони). Сребърните йони приемат тези „е” и се превръщат в атоми сребро. Протича окислително-редукционен процес.
Медта има по-силно изразени редукционни свойства и измества йоните на среброто.
Ако сребърна пластинка се потопи в разтвор на меден динитрат (Cu(NO3)2) окислително-редукционен процес бе притча, Това доказва, че среброто е по-слаб редуктор от медта и не може да измести нейните йони.
Опитите доказват, че среброто е по-слаб редуктор и от желязото, защото желязото е по-силен редуктор от медта, която пък е по-силен редуктор от среброто.
Fe, Cu. Ag
--------------------->
Намалява редукционната способност


Място на водорода в реда на относителната активност на металите

Едно от свойствата, които металите притежават е да реагират с киселини. Не всички метали обаче могат да реагират с разредени киселини (киселини във воден разтвор под формата на H+ йони и киселинни аниони).
Ако късчета от металите Fe, Zn и Ag, поставени в три епруветки, се залеят с разредена солна киселина, реакцията протича в епруветките с Fe и Zn. В тези епруветки се наблюдава разтваряне на металното късче и отделяне на газови мехурчета водород.
Желязото и цинкът са силни редуктори и отдават електрони на водородните йони от киселината, които се проявяват като окислители.
Уравнение 5
Редуктор Fe0 – 2& #275; & #8594; Fe2+
Окислител 2H+ + 2.1& #275; & #8594;2H0 -> H2& #8593;
Уравнение 6
Редуктор Zn0 – 2& #275; & #8594; Zn2+
Окислител 2H+ + 2.1& #275; & #8594; 2H0 -> H2& #8593;
Опитите показват, че водородът трябва да бъде разположен след желязото и цинка в реда на относителната активност на металите, защото е по-слаб редуктор от тях.
Сребърните атоми не изместват водородните йони от разтвора на киселината – реакция не протича. Следователно среброто е разположено след водорода в реда на относителната активност на металите (Р.О.А.М).
Мястото на водорода е установено по експериментален път. То се намира след Pb и пред Cu в Р.О.А.М.
Pb, H, Cu
Всеки метал, който се намира пред водорода в Р.О.А.М може да го измества от разредените киселини. Тези метали реагират с разредени киселини,
Металите след водорода в Р.О.А.М не реагират с разредени киселини.


Ред на относителната активност на металите и техните йони

Металните атоми се различават по способността си да отдават валентните си електрони, т.е по редукционната си активност. Ако се подредят тези атоми в ред по намаляване на тяхната редукционна способност ще образуват ред на относителната активност на металите. Този ред е изведен за водни разтвори на електролити с моларна концентрация c=1 mol/l.
Част от този ред има вида:
Li , K , Ca , Na , Mg , Al , Zn , Fe ,…., Pb , H , Cu , ....Ag ,...
Li+, K+, Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+, Zn2+, Fe2+,…., Pb2+, H+, Cu2+, ...Ag+, ...
----------------------------------------------------------------------------------->
Намалява редукционната способност на атомите, расте окислителната способност на техните йони

Първите посочени в този ред метали са най-силните редуктори. Техните атоми лесно отдават валентните си електрони. Последните от този ред метали са слаби редуктори – трудно отдават валентните си електрони. Техните йони обаче лесно приемат електрони и се проявяват като окислители.
С помощта на реда за относителната активност може да се определи предварително кои окислително-редукционни процеси са възможни и кои не, в каква посока ще се извърши електронния преход – кой ще се прояви като редуктор и кой като окислител.
Химични процеси между метал и разтворите на соли на друг метал са възможни, когато този метал се намира пред метала влизащ в състава на солта под формата на йони. С други думи всеки метал може да измести йоните на метали, разположени след като в реда на относителната активност и бива изместен както е под формата на йони от металите пред него в този ред.
Например Na може да измести йоните на Mg, Al, Zn, Fe, …. Cu, …Ag …. И може да бъде изместен под формата на Na+ от Li и Ca

Ред на относителната активност на неметалите и техните аниони

За неметалите и техните йони по експериментален път също е изведен ред, в който те подобно на металите са подредени по намаляване на редукционната им способност. В началото на този ред се намират неметалите, които са слаби окислители, а в края – неметалите, които са силни окислители. Част от този ред има вида:
S2-/S, 2I-/I2, 2Br-/Br2, 2Cl-/Cl2
------------------------------------>
Окислителната способност расте, а редукционната способност намалява
В този ред всеки неметал може да измести йоните на неметал, намиращ се пред него и йоните му биват изместени от неметалите след него.

Лабораторно упражнение

Експериментално-логически задачи върху електролити и реакции между водните им разтвори

1. Необходими познания: окислител, редуктор, окисление, редукция, преход на електрони, степен на окисление, ред на относителната активност на метали, неметали и техните йони, място на водорода в Р.О.А.М, използване на Р.О.А.М.
2. Необходими пособия и реактиви за провеждане на експеримента:
a. Реактивни стъкла с: разтвори на меден дихлорид, сребърен нитрат, железен трихлорид, солна киселина, цинк, желязо, мед(на гранули или стърготини), медна и желязна пластинка, сребърни оръчки
b. Пособия: чаши от 50 мл, епруветки, стъклена пръчка, часовникови стъкла
3. Правила за безопасна работа:
a. Пазете се от изпръскване и разливане на разтворите.
b. Работете със защитни ръкавици и пазете дрехите си.
4. Експериментални задачи:
a. Запалете късче магнезиева лента. Какъв процес протича? Изразете го с химично уравнение. Определете окислителя и редуктора.
b. В разтвор на меден дихлорид потопете желязна пластинка. Изчакайте няколко минути. Опишете наблюдаваните процеси. Изразете ги с химични уравнения.
c. В разтвор на железен трихлорид потопете медна пластина. Изчакайте няколко минути. Наблюдават ли се промени? Защо?
d. Между кои от посочените вещества ще протече химичен процес: сребро, мед, сребърен нитрат, меден дихлорид. Проверете предположенията си експериментално и запишете химичните уравнения за протеклите процеси.
e. С Късчета от металите желязо, мед, цинк и сребро залейте с разредена солна киселина. Какви промени наблюдавате и защо? Изразете процесите с химични уравнения.

5. Оформяне на протокол:

1. Тема: ..............................................
2. Цел: ................................................
3. Пособия и реактиви:......................
4. Резултати от експеримента:..........
5. Изводи:...........................................

Изготвил: .............................................
( име, клас, дата)

Добави коментар

Трябва да сте регистриран потребител, за да коментирате материалите.

Коментари

skype keti167 ( 36) на 19 Декември 2010
ama towa w 10 klas li se uchi???