Какие элементы проявляют только восстановительные свойства
Окислительно-восстановительные свойства отдельных атомов, а также ионов являются важным вопросом современной химии. Данный материал помогает объяснять активность элементов и веществ, проводить детальное сравнение химических свойств у разных атомов.
Что такое окислитель
Многие задачи по химии, включая тестовые вопросы единого государственного экзамена в 11 классе, и ОГЭ в 9 классе, связаны с данным понятием. Окислителем считают атомы либо ионы, которые в процессе химического взаимодействия принимают электроны от другого иона либо атома. Если анализировать окислительные свойства атомов, нужна периодическая система Менделеева. В периодах, располагающихся в таблице слева направо, окислительная способность атомов возрастает, то есть меняется аналогично неметаллическим свойствам. В основных подгруппах подобный параметр уменьшается сверху вниз. Среди самых сильных простых веществ, обладающих окислительной способностью, лидирует фтор. Такой термин, как «электроотрицательность», то есть возможность атома принимать в случае химического взаимодействия электроны, можно считать синонимом окислительных свойств. Среди сложных веществ, которые состоят из двух и больше химических элементов, яркими окислителями можно считать: перманганат калия, хлорат калия, озон.
Что такое восстановитель
Восстановительные свойства атомов характерны для простых веществ, проявляющих металлические свойства. В таблице Менделеева в периодах металлические свойства слева направо ослабевают, а в основных подгруппах (вертикально) они усиливаются. Суть восстановления в отдаче электронов, которые располагаются на внешнем энергетическом уровне. Чем большее количество электронных оболочек (уровней), тем легче отдать во время химического взаимодействия «лишние» электроны.
Отличными восстановительными свойствами обладают активные (щелочные, щелочно-земельные) металлы. Кроме того, веществ, проявляющих подобные параметры, выделим оксид серы (6), угарный газ. Для того чтобы приобрести максимальную степень окисления, данные соединения вынуждены проявлять восстановительные свойства.
Процесс окисления
Если во время химического взаимодействия атом либо ион отдает электроны иному атому (иону), идет речь о процессе окисления. Для анализа того, как меняются восстановительные свойства и окислительная способность, потребуется таблица элементов Менделеева, а также знание современных законов физики.
Процесс восстановления
Восстановительные процессы предполагают принятие ионами либо атомами электронов от других атомов (ионов) во время непосредственного химического взаимодействия. Отличными восстановителями являются нитриты, сульфиты щелочных металлов. Восстановительные свойства в системе элементов меняются аналогично металлическим свойствам простых веществ.
Алгоритм разбора ОВР
Для того чтобы в готовой химической реакции учащийся мог расставить коэффициенты, необходимо воспользоваться специальным алгоритмом. Окислительно-восстановительные свойства помогают решать и разнообразные расчетные задачи в аналитической, органической, общей химии. Предлагаем порядок разбора любой реакции:
- Сначала важно определить у каждого имеющегося элемента степень окисления, используя правила.
- Далее определяют те атомы либо ионы, которые поменяли свою степень окисления, будут участвовать в реакции.
- Знаками «минус» и «плюс» указывают число отданных и принятых в ходе химической реакции свободных электронов.
- Далее между числом всех электронов определяется минимальное общее кратное, то есть целое число, которое без остатка делится на принятые и отданные электроны.
- Затем его делят на электроны, участвовавшие в химической реакции.
- Далее определяем, какие именно ионы либо атомы восстановительными свойствами обладают, а также определяют окислители.
- На завершающем этапе ставят коэффициенты в уравнении.
Применяя способ электронного баланса, расставим коэффициенты в данной схеме реакции:
NaMnO4 + сероводород + серная кислота= S + Mn SO4 +…+…
Алгоритм решения поставленной задачи
Выясним, какие именно должны после взаимодействия образоваться вещества. Так как в реакции уже есть окислитель (им будет марганец) и определен восстановитель (им будет сера), образуются вещества, в которых уже не меняются степени окисления. Так как основная реакция протекала между солью и сильной кислородсодержащей кислотой, то одним из конечных веществ станет вода, а вторым – соль натрия, точнее, сульфат натрия.
Составим теперь схему отдачи и принятия электронов:
– Mn+7 берет 5 e= Mn+2.
Вторая часть схемы:
– S-2 отдает2e= S0
Ставим в исходную реакцию коэффициенты, не забывая при этом суммировать все атомы серы в частях уравнения.
2NaMnO4 + 5H2S + 3H2SO4 = 5S + 2MnSO4 + 8H2O + Na2SO4.
Разбор ОВР с участием перекиси водорода
Применяя алгоритм разбора ОВР, можно составить уравнение протекающей реакции:
перекись водорода + серная кислота + пермагнанат калия = Mn SO4 + кислород + …+…
Степени окисления изменили ион кислорода (в перекиси водорода) и катион марганца в перманганате калия. То есть восстановитель, а также окислитель у нас присутствуют.
Определим, что за вещества еще могут получиться после взаимодействия. Одно из них будет водой, что вполне очевидно, представлена реакция между кислотой и солью. Калий не образовал нового вещества, вторым продуктом станет соль калия, а именно сульфат, так как реакция шла с серной кислотой.
Схема:
2O – отдает 2 электрона и превращается в O20 5
Mn+7 принимает 5 электронов и становится ионом Mn+2 2
Поставим коэффициенты.
5H2O2 + 3H2SO4 + 2KMnO4 = 5O2 + 2Mn SO4 + 8H2O + K2SO4
Пример разбора ОВР с участием хромата калия
Используя способ электронного баланса, составим уравнение с коэффициентами:
FeCl2 + соляная кислота + хромат калия = FeCl3+ CrCl3 + …+…
Степени окисления поменяли железо (в хлориде железа II) и ион хрома в бихромате калия.
Теперь постараемся выяснить, какие еще вещества образуются. Одно может быть солью. Поскольку калий не образовал никакого соединения, следовательно, вторым продуктом будет соль калия, точнее, хлорид, ведь реакция проходила с соляной кислотой.
Составим схему:
Fe+2 отдает e =Fe+3 6 восстановитель,
2Cr+6 принимает 6 e = 2Cr +3 1 окислитель.
Поставим коэффициенты в начальную реакцию:
6K2Cr2O7 + FeCl2 + 14HCl = 7H2O + 6FeCl3 + 2CrCl3 + 2KCl
Пример разбора ОВР с участием иодида калия
Вооружившись правилами, составим уравнение:
перманганат калия + серная кислота + иодид калия…сульфат марганца + йод +…+…
Степени окисления изменили марганец и йод. То есть восстановитель и окислитель присутствуют.
Теперь выясним,что в итоге у нас образуется. Соединение будет у калия, то есть получим сульфат калия.
Восстановительные процессы протекают у ионов йода.
Составим схему передачи электронов:
– Mn+7 принимает 5 e = Mn+2 2 является окислителем,
– 2I- отдает2 e = I20 5 является восстановителем.
Расставляем коэффициенты в начальную реакцию, не забываем при этом суммировать все атомы серы в данном уравнении.
210KI + KMnO4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H2O
Пример разбора ОВР с участием сульфита натрия
Используя классический метод, составим для схемы уравнение:
– серная кислота + KMnO4 + сульфит натрия… сульфат натрия + сульфат марганца +…+…
После взаимодействия получим соль натрия, воду.
Составим схему:
– Mn+7 принимает 5 e= Mn+2 2,
– S+4 отдает 2 e = S+6 5.
Расставляем коэффициенты в рассматриваемую реакцию, не забываем складывать атомы серы при расстановке коэффициентов.
3H2SO4 + 2KMnO4 + 5Na2SO3 = K2SO4 + 2MnSO4 + 5Na2SO4 + 3H2O.
Пример разбора ОВР с участием азота
Выполним следующее задание. Пользуясь алгоритмом, составим полное уравнение реакции:
– нитрат марганца +азотная кислота+PbO2=HMnO4+Pb(NO3) 2+
Проанализируем, какое вещество еще образуется. Так как реакция проходила между сильным окислителем и солью, значит, веществом будет вода.
Покажем изменение числа электронов:
– Mn+2 отдает 5 e = Mn+7 2 проявляет свойства восстановителя,
– Pb+4 принимает 2 e = Pb+2 5 окислителем.
3. Расставляем коэффициенты в исходную реакцию, обязательно складываем весь азот, имеющийся в левой части исходного уравнения:
– 2Mn(NO3)2 + 6HNO3 + 5PbO2 = 2HMnO4 + 5Pb(NO3)2 + 2H2O.
В данной реакции не проявляются восстановительные свойства азота.
Второй образец окислительно-восстановительной реакции с азотом:
Zn + серная кислота + HNO3= ZnSO4 + NO+…
– Zn0 отдает 2 e = Zn+2 3 будет восстановителем,
N+5принимает 3 e = N+2 2 является окислителем.
Расставляем коэффициенты в заданную реакцию:
3Zn + 3H2SO4 + 2HNO3 = 3ZnSO4 + 2NO + 4H2O.
Значимость окислительно-восстановительных реакций
Самые известные восстановительные реакции – фотосинтез, характерный для растений. Как изменяются восстановительные свойства? Процесс происходит в биосфере, приводит к повышению энергии с помощью внешнего источника. Именно эту энергию и использует для своих нужд человечество. Среди примеров окислительных и восстановительных реакций, связанных с химическими элементами, особое значение имеют превращения соединений азота, углерода, кислорода. Благодаря фотосинтезу земная атмосфера имеет такой состав, который необходим для развития живых организмов. Благодаря фотосинтезу не увеличивается количество углекислого газа в воздушной оболочке, поверхность Земли не перегревается. Растение не только развивается с помощью окислительно-восстановительной реакции, но и образует такие нужные для человека вещества, как кислород, глюкоза. Без данной химической реакции невозможен полноценный круговорот веществ в природе, а также существование органической жизни.
Практическое применение ОВР
Для того чтобы сохранить поверхность металла, необходимо знать, что восстановительными свойствами обладают активные металлы, поэтому можно покрывать поверхность слоем более активного элемента, замедляя при этом процесс химической коррозии. Благодаря наличию окислительно-восстановительных свойств осуществляется очистка и дезинфекция питьевой воды. Ни одну задачу нельзя решить, не расставив правильно в уравнении коэффициенты. Для того чтобы избежать ошибок, важно иметь представление обо всех окислительно-восстановительных параметрах.
Защита от химической коррозии
Особую проблему для жизни и деятельности человека представляет коррозия. В результате данного химического превращения происходит разрушение металла, теряют свои эксплуатационные характеристики детали автомобиля, станков. Для того чтобы исправить подобную проблему, используется протекторная защита, покрытие металла слоем лака либо краски, применение антикоррозионных сплавов. Например, железная поверхность покрывается слоем активного металла – алюминия.
Заключение
Разнообразные восстановительные реакции происходят и в организме человека, обеспечивают нормальную работу пищеварительной системы. Такие основные процессы жизнедеятельности, как брожение, гниение, дыхание, также связаны с восстановительными свойствами. Обладают подобными возможностями все живые существа на нашей планете. Без реакций с отдачей и принятием электронов невозможна добыча полезных ископаемых, промышленное производство аммиака, щелочей, кислот. В аналитической химии все методы объемного анализа основаны именно на окислительно-восстановительных процессах. Борьба с таким неприятным явлением, как химическая коррозия, также основывается на знании этих процессов.
Источник
Все химические элементы разделяют на металлы и неметаллы в зависимости от строения и свойств их атомов. Также на
металлы и неметаллы классифицируют образуемые элементами простые вещества, исходя из их физических и химических свойств.
В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева неметаллы расположены по диагонали: бор – астат и над ней в главных подгруппах.
Для атомов металлов характерны сравнительно большие радиусы и небольшое число электронов на внешнем уровне от 1 до 3 (исключение: германий, олово свинец – 4;
сурьма и висмут – 5; полоний – 6 электронов).
Атомам неметаллов, наоборот, свойственны небольшие радиусы атомов и число электронов на внешнем уровне от 4 до 8 (исключение бор, у него таких электронов –
три).
Отсюда стремление атомов металлов к отдаче внешних электронов, т.е. восстановительные свойства, а для атомов неметаллов – стремление к приему недостающих до
устойчивого восьмиэлектронного уровня электронов, т.е. окислительные свойства.
В металлах – металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка. В узлах решетки находятся положительно заряженные ионы металлов, связанные
посредством обобществленных внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу.
Это обуславливает все важнейшие физические свойства металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность, пластичность (способность изменять форму под
внешним воздействием) и некоторые другие, характерные для этого класса простых веществ.
Металлы I группы главной подгруппы называют щелочными металлами.
Металлы II группы: кальций, стронций, барий – щелочноземельными.
В химических реакциях металлы проявляют только восстановительные свойства, т.е. их атомы отдают электроны, образуя в результате положительные
ионы.
1. Взаимодействуют с неметаллами:
а) кислородом (с образованием оксидов)
Щелочные и щелочноземельные металлы окисляются легко при обычных условиях, поэтому их хранят под слоем вазелинового масла или керосина.
4Li + O2 = 2Li2O
2Ca + O2 = 2CaO
Обратите внимание: при взаимодействии натрия – образуется пероксид, калия – надпероксид
2Na + O2 = Na2O2, К + О2 = КО2
а оксиды получают прокаливанием пероксида с соответствующими металлом:
2Na + Na2O2 = 2Na2O
Железо, цинк, медь и другие менее активные металлы медленно окисляются на воздухе и активно при нагревании.
3Fe + 2O2 = Fe3O4 (смесь двух оксидов: FeO и Fe2O3)
2Zn + O2 = 2ZnO
2Cu + O2 = 2CuO
Золото и платиновые металлы не окисляются кислородом воздуха ни при каких условиях.
б) водородом (с образованием гидридов)
2Na + H2 = 2NaH
Ca + H2 = CaH2
в) хлором (с образованием хлоридов)
2K + Cl2 = 2KCl
Mg + Cl2 = MgCl2
2Al + 3Cl2 =2AlCl3
Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется хлорид железа (III):
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
г) серой (с образованием сульфидов)
2Na + S = Na2S
Hg + S = HgS
2Al + 3S = Al2S3
Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется сульфид железа (II):
Fe + S = FeS
д) азотом (с образованием нитридов)
6K + N2 = 2K3N
3Mg + N2 = Mg3N2
2Al + N2 = 2AlN
2. Взаимодействуют со сложными веществами:
Необходимо помнить, что по восстановительной способности металлы расположены в ряд, который называют электрохимическим рядом напряжений или активности
металлов (вытеснительный ряд Бекетова Н.Н.):
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, (H2), Cu, Hg, Ag, Au, Pt
а) водой
Металлы, расположенные в ряду до магния, при обычных условиях вытесняют водород из воды, образуя растворимые основания – щелочи.
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
Ba + H2O = Ba(OH) 2 + H2↑
Магний взаимодействует с водой при кипячении.
Mg + 2H2O = Mg(OH) 2 + H2↑
Алюминий при удалении оксидной пленки бурно реагирует с водой.
2Al + 6H2O = 2Al(OH) 3 + 3H2↑
Остальные металлы, стоящие в ряду до водорода, при определенных условиях тоже могут вступать в реакцию с водой с выделением водорода и образованием
оксидов.
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑
б) растворами кислот
(Кроме концентрированной серной кислоты и азотной кислоты любой концентрации. См. раздел «Окислительно-восстановительные реакции».)
Обратите внимание: не используют для проведения реакций нерастворимую кремниевую кислоту
Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций.
Металлы, стоящие в ряду от магния до водорода, вытесняют водород из кислот.
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2↑
Обратите внимание: образуются соли двухвалентного железа.
Fe + H2SO4(разб.) = FeSO4 + H2↑
Образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции. Например, свинец практически не реагирует с раствором серной кислоты из-за образования на
поверхности нерастворимого сульфата свинца.
Металлы, стоящие в ряду после водорода, НЕ вытесняют водород.
в) растворами солей
Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций.
Для остальных металлов выполняется правило:
Каждый металл вытесняет из растворов солей другие металлы, расположенные в ряду правее него, и сам может быть вытеснен металлами, расположенными левее
него.
Cu + HgCl2 = Hg + CuCl2
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
Как и в случае с растворами кислот, образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции.
г) растворами щелочей
Взаимодействуют металлы, гидроксиды которых амфотерны.
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 [Zn(OH) 4] + H2↑
2Al + 2KOH + 6H2O = 2K[Al(OH) 4] + 3H2↑
д) с органическими веществами
Щелочные металлы со спиртами и фенолом.
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑
2C6H5OH + 2Na = 2C6H5ONa + H2↑
Металлы участвуют в реакциях с галогеналканами, которые используют для получения низших циклоалканов и для синтезов, в ходе которых происходит усложнение
углеродного скелета молекулы (реакция А.Вюрца):
CH2Cl-CH2-CH2Cl + Zn = C3H6(циклопропан) + ZnCl2
2CH2Cl + 2Na = C2H6(этан) + 2NaCl
В простых веществах атомы неметаллов связаны ковалентной неполярной связью. При этом образуются одинарные (в молекулах H2, F2,
Cl2, Br2, I2), двойные (в молекулах О2), тройные (в молекулах N2) ковалентные связи.
1. молекулярное
При обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы (Н2, N2, O2, O3, F2,
Cl2) или твердые вещества (I2, P4, S8) и лишь единственный бром (Br2) является жидкостью. Все эти вещества молекулярного строения, поэтому
летучи. В твердом состоянии они легкоплавки из-за слабого межмолекулярного взаимодействия, удерживающего их молекулы в кристалле, и способны к возгонке.
2. атомное
Эти вещества образованы кристаллами, в узлах которых находятся атомы: (Bn, Сn, Sin, Gen, Sen, Ten). Из-за большой прочности ковалентных связей они, как правило, имеют высокую твердость, и любые изменения, связанные с разрушением
ковалентной связи в их кристаллах (плавление, испарение), совершаются с большой затратой энергии. Многие такие вещества имеют высокие температуры плавления и кипения, а летучесть их весьма
мала.
Многие элементы – неметаллы образуют несколько простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропия может быть связана с разным составом молекул: кислород
О2 и озон О3 и с разным строением кристаллов: аллотропными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин, фуллерен. Элементы – неметаллы, имеющие аллотропные
модификации: углерод, кремний, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур.
У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение
электроотрицательности. В ряду неметаллов
At, B, Te, H, As, I, Si, P, Se, C, S, Br, Cl, N, O, F
электроотрицательность возрастает и усиливаются окислительные свойства.
Отсюда следует, что для простых веществ – неметаллов будут характерны как окислительные, так и восстановительные свойства, за исключением фтора – самого
сильного окислителя.
1. Окислительные свойства
а) в реакциях с металлами (металлы всегда восстановители)
2Na + S = Na2S (сульфид натрия)
3Mg + N2 = Mg3N2 (нитрид магния)
б) в реакциях с неметаллами, расположенными левее данного, то есть с меньшим значением электроотрицательности. Например, при взаимодействии фосфора и серы
окислителем будет сера, так как фосфор имеет меньшее значение электроотрицательности:
2P + 5S = P2S5 (сульфид фосфора V)
Большинство неметаллов будут окислителями в реакциях с водородом:
H2 + S = H2S
H2 + Cl2 = 2HCl
3H2 + N2 = 2NH3
в) в реакциях с некоторыми сложными веществами
Окислитель – кислород, реакции горения
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
2SO2 + O2 = 2SO3
Окислитель – хлор
2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
2KI + Cl2 = 2KCl + I2
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl
Ch2=CH2 + Br2 = CH2Br-CH2Br
2. Восстановительные свойства
а) в реакциях с фтором
S + 3F2 = SF6
H2 + F2 = 2HF
Si + 2F2 = SiF4
б) в реакциях с кислородом (кроме фтора)
S + O2 = SO2
N2 + O2 = 2NO
4P + 5O2 = 2P2O5
C + O2 = CO2
в) в реакциях со сложными веществами – окислителями
H2 + CuO = Cu + H2O
6P + 5KClO3 = 5KCl + 3P2O5
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O
H2C=O + H2 = CH3OH
3. Реакции диспропорционирования: один и тот же неметалл является и окислителем и восстановителем
Cl2 + H2O = HCl + HClO
3Cl2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O
Источник