Теория окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительными называются такие реакции, в результате которых изменяется степень окисления одного или нескольких элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Отдача атомом электронов, сопровождающаяся повышением его степени окисления, называется окислением; присоединение атомом электронов, приводящее к понижению его степени окисления, называется восстановлением.

Вещество, в состав которого входит окисляющийся элемент, называется восстановителем; вещество, содержащее восстанавливающийся элемент, называется окислителем.

Так, в реакции горения активных металлов.

• 2Mg +O₂ = 2MgO
• 2Mg⁰ -4e^- = 2Mg²⁺ — реакция окисления

O⁰₂ +4е^- = 2O^2- — реакция восстановления Магний повышает степень окисления от 0 до +2 и служит восстановителем; в результате реакции свободный магний окисляется и превращается в окисленную форму (магний в степени окисления +2). Кислород в этой реакции понижает степень окисления от 0 до -2 и служит окислителем; в результате реакции окисленная форма кислорода (свободный кислород) восстанавливается и превращается в сопряженную с ней восстановленную форму (кислород в степени окисления -2). Оба процесса — окисление и восстановление — протекают одновременно. При этом общее число электронов, отданных восстановителем, рано общему числу электронов, принятых окислителем. В рассмотренной реакции взаимодействуют два вещества, одно из которых служит окислителем (кислород), а другое — восстановителем (магний). Такие реакции относятся к реакциям межмолекулярного окисления-восстановления.

Реакция разложения бертолетовой соли.

• 4KCl⁺⁵O₃ = 3KCl⁺⁷O₄ + KCl^-1 (400° C)
• 3Cl⁺⁵ -6е^- = 3Cl⁺⁷ -реакция окисления

Cl⁺⁵ +6е^— = Cl^-1 — реакция восстановления служит примером реакций самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования), в которых одновременно образуются соединения, содержащие данный элемент в более окисленном и в более восстановленном состоянии по сравнению с исходным; при этом исходное вещество проявляет функции как окислителя, так и восстановителя. Бертолетова соль (степень окисления хлора +5) выступает одновременно в роли окислителя, причем хлор восстанавливается до степени окисления -1 (KCl), и в роли восстановителя, причем хлор окисляется до степени окисления +7 (KClO₄). Подобные реакции возможны, если соответствующий элемент находится в исходном соединении в промежуточной степени окисления; так, в рассмотренном примере степень окисления хлора в исходном соединении (+5) имеет промежуточное значение между возможными максимальной (+7) и минимальной (-1) степенями окисления этого элемента.

В реакции 2KClO^2- ₃ = 2KCl + 3O⁰₂ (150 — 300 °C кат. MnO₂).

Cl⁺⁵ +6е^— = Cl^-1 — реакция восстановления.

3O^2- -6е^- = 3O⁰₂ — реакция окисления Окисляется кислород, повышающий степень окисления от -2 до 0, а восстанавливается хлор, понижающий степень окисления от +5 до -1. Оба эти элемента входят в состав одного и того же исходного вещества. Реакции такого типа называются реакциями внутримолекулярного окисления-восстановления.

Окислители и восстановители.

Элементы, находящиеся в высшей степени окисления, могут только восстанавливаться, так как их атомы способны лишь принимать электроны: азот +5 (KNO₃), кислород 0 (газообразный O⁰₂), углерод 0 (уголь C⁰) .

Напротив, элементы, находящиеся в низшей степени, могут только окисляться: металлический магний 0, алюминий 0, кислород -2 (KClO₃). Вещества, содержащие элементы в промежуточных степенях окисления, обладают окислительно-восстановительной двойственностью. Такие вещества способны и принимать и отдавать электроны, в зависимости от партнера, с которыми они взаимодействуют, и от условий проведения реакций: хлор +5, сера 0.