Окислительно-восстановительные реакции
Окислительно-восстановительными (ОВР) называются реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Под степенью окисления (w) понимают стехиометрическую валентность со знаком "+" или " - ". Знак " + " приписывают более электроположительному элементу (металлу), а "-" - более электроотрицательному (неметаллу). Стехиометрическая валентность (V стх) определяется как частное от деления атомной массы (А) на массу эквивалента (М эк) данного атома, т. е. это число эквивалентов в атоме: V стх = А/ М эк.
Окисление-восстановление - это единый, взаимосвязанный процесс. Окисление соответствует увеличению степени окисления элемента, а восстановление - ее уменьшению.
Во многих пособиях придерживаются толкования окисления как потерю электронов, а восстановления – как их присоединения. Этот подход, предложенный русским ученым Писаржевским (1916 г.), применим к электрохимическим процессам на электродах, относится к разрядке (зарядке) ионов и молекул.
Однако, объяснение изменения степеней окисления как процессов отрыва и присоединения электронов, в общем случае неверно. Оно может быть применено к некоторым простым ионам типа Cl - - ® Cl. Для изменения степени окисления атомов в сложных ионах типа
CrO 4 2 - ® Cr +3 уменьшению положительной степени окисления хрома с +6 до +3 соответствует реальное увеличение положительного заряда (на Cr в CrO 4 2 - реальный заряд » +0,2 заряда электрона, а на Cr +3 - от +2 до +1,5 в разных соединениях).
Перенос заряда от восстановителя к окислителю, равный изменению степени окисления, происходит при этом с участием других частиц, например ионов Н + :
CrO 4 2 - + 8Н + + 3 ® Cr +3 + 4Н 2 О.
Представленная запись носит название полуреакции.
Атом, находящийся в высшей степени окисления , может быть только окислителем , если он находится в низшей степени окисления - только восстановителем , а если он обладает промежуточной степенью окисления , то может быть и окислителем, и восстановителем. Например: N +5 (HNO 3), S +6 (H 2 SO 4) - проявляют только окислительные свойства (высшая степень окисления); N +4 (NO 2), S +4 (SO 2) - проявляют окислительные и восстановительные свойства (промежуточные степени окисления); N - 3 (NH 3), S - 2 (H 2 S) - проявляют только восстановительные свойства (низшие степени окисления).
Пример 1 . Исходя из степеней окисления (w) азота, серы и марганца в соединениях NH 3 , HNO 2 , HNO 3 , H 2 S, H 2 SO 3 , H 2 SO 4 , MnO 2 , KMnO 4 , определите, какие из них могут быть только восстановителями, только окислителями и какие проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства?
Решение . Степень окисления (w) N в указанных соединениях, соответственно, равна: -3 (низшая), +3 (промежуточная), +5 (высшая); (w)S, соответственно, равна: +4 (промежуточная), +6 (высшая); (w) Mn, соответственно, равна: +4 (промежуточная), +7 (высшая). Отсюда NH 3 , H 2 S - только восстановители; HNO 3 , H 2 SO 4 , KMnO 4 - только окислители; HNO 2 , H 2 SO 3 , MnO 2 - окислители и восстановители.
Пример 2 . Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между следующими веществами: а) H 2 S и HI; б) H 2 S и H 2 SO 3 ; в) H 2 SO 3 и HClO 4 ?
Решение . а) Степень окисления S в H 2 S равна -2, а I в HI равна -1. Так как и сера, и иод находятся в своей низшей степени окисления, то оба взятые вещества проявляют только восстановительные свойства и взаимодействовать друг с другом не могут;
б) в H 2 S w(S) = -2 (низшая); в H 2 SO 3 w(S) = +4 (промежуточная). Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем H 2 SO 3 является в этом случае окислителем; H 2 S - восстановителем, а продуктом может быть S (w = 0).
в) в H 2 SO 3 w(S) = +4 (промежуточная); в HClO 4 w(Cl) = +7 (высшая). Взятые вещества могут взаимодействовать. H 2 SO 3 в этом случае будет проявлять восстановительные свойства; а продуктами могут быть H 2 SO 4 и НСl.
Если в условии задачи даны как исходные вещества, так и продукты их взаимодействия, то написание уравнения окислительно-восстановительной реакции сводится, как правило, к нахождению и расстановке коэффициентов.
Уравнивание ОВР
Рассмотрим два наиболее распространненых метода составления уравнений для реакций окисления-восстановления.
1. Метод баланса степеней окисления. Для нахождения коэффициентов учитывают правило, согласно которому суммарное изменение степеней окисления окислителя и восстановителя в реакции равно нулю; то есть повышение степени окисления восстановителя равно ее понижению у окислителя.
Пример 3 . Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции:
KMnO 4 + H 3 PO 3 + H 2 SO 4 ® MnSO 4 + H 3 PO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O .
Решение . Вычисляем, как изменяют свою степень окисления восстановитель и окислитель, и отражаем это в схемах процессов окисления и восстановления:
Восстановитель 5 P +3 ® P +5 , Dw = (+5) - (+3) = +2 процесс окисления,
окислитель 2 Mn +7 ® Mn +2 , Dw = (+2) - (+7) = -5 процесс восст-ния.
Изменение степеней окисления (Dw В) восстановителя должно быть равно изменению степени окисления (Dw ок) окислителя. Общее наименьшее кратное для изменения степеней окисления Dw В и Dw ок равно десяти. Разделив это число на 5, получим коэффициент 2 для окислителя и продукта его восстановления, а при делении 10 на 2 получаем коэффициент 5 для восстановителя и продукта его окисления. Коэффициенты перед веществами, атомы которых не меняют свою степень окисления, находят подбором. Уравнение реакции будет иметь следующий вид:
2КMnO 4 + 5H 3 PO 3 + 3H 2 SO 4 = 2MnSO 4 + 5H 3 PO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O.
Пример 4 . Составьте уравнение реакции взаимодействия цинка с концентрированной серной кислотой, принимая максимальное восстановление последней.
Решение . Цинк, как любой металл, проявляет только восстановительные свойства. В концентрированной серной кислоте окислительную функцию несет сера (+6). Максимальное восстановление серы означает, что она приобретает минимальную степень окисления. Минимальная степень окисления серы как р-элемента VI А группы равна -2. Цинк, как металл II В группы, имеет постоянную степень окисления +2. Отражаем это в схемах:
Восстановитель 4 Zn ® Zn +2 , Dw = +2 процесс окисления,
окислитель 1 S +6 ® S - 2 , Dw = -8 процесс восстановления.
Составляем уравнение реакции: 4Zn + 5H 2 SO 4 = 4ZnSO 4 + H 2 S+ 4H 2 O.
Перед H 2 SO 4 стоит коэффициент 5, а не 1, так как еще четыре молекулы кислоты идут на связывание четырех ионов Zn 2+ (то есть H 2 SO 4 - и окислитель, и среда реакции). Далее по балансу атомов водорода определяют количество (моль) воды. Для проверки правильности подобранных коэффициентов подсчитывают баланс кислорода.
При повышении степени окисления протекает процесс окисления, а само вещество является восстановителем. При понижении степени окисления протекает процесс восстановления, а само вещество является окислителем.
Описанный метод уравнивания ОВР носит название «метод баланса по степеням окисления».
Излагаемый в большинстве пособий по химии и широко используемый на практике метод электронного баланса для уравнивания ОВР можно применять с оговорками о том, что степень окисления не равна заряду.
2. Метод полуреакций. В тех случаях, когда реакция протекает в водном растворе (расплаве), при составлении уравнений исходят не от изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, а от изменения зарядов реальных частиц, то есть учитывают форму существования веществ в растворе (простой или сложный ион, атом или молекула нерастворенного или слабодиссоциирующего в воде вещества). В этом случае при составлении ионных уравнений окислительно-восстановительных реакций следует придерживаться той же формы записи, которая принята для ионных уравнений обменного характера, а именно: малорастворимые, малодиссоциированные и газообразные соединения следует писать в молекулярной форме, а ионы, не изменяющие своего состояния, - исключать из уравнения. При этом процессы окисления и восстановления записывают в виде отдельных полуреакций. Уравняв их по количеству атомов каждого вида, полуреакции складывают, умножив каждую на такой коэффициент, который уравнивает изменение заряда окислителя и восстановителя.
Метод полуреакций точнее отражает истинные изменения веществ в процессе окислительно-восстановительных реакций и облегчает составление уравнений этих процессов в ионно-молекулярной форме.
Поскольку из одних и тех же реагентов могут быть получены разные продукты в зависимости от характера среды (кислотного, щелочного, нейтрального), для таких реакций в ионной схеме, кроме частиц, выполняющих функции окислителя и восстановителя, обязательно указывается частица, характеризующая реакцию среды (то есть ион Н + или ион ОН - , или молекула Н 2 О).
Пример 5. Используя метод полуреакций, расставьте коэффициенты в реакции:
KMnO 4 + KNO 2 + H 2 SO 4 ® MnSO 4 + KNO 3 + K 2 SO 4 + H 2 O .
Решение. Записываем реакцию в ионном виде, учитывая, что все вещества, кроме воды, диссоциируют на ионы:
MnO 4 - + NO 2 - + 2H + ® Mn 2+ + NО 3 - + H 2 O
(K + и SO 4 2 - остаются без изменения, поэтому в ионной схеме их не указывают). Из ионной схемы видно, что окислитель перманганат-ион (MnO 4 -) превращается в Mn 2+ -ион и при этом освобождаются четыре атома кислорода.
В кислой среде каждый освобождающийся окислителем атом кислорода связывается с 2Н + с образованием молекулы воды .
Отсюда следует: MnO 4 - + 8H + + 5 ® Mn 2+ + 4H 2 O .
Находим разницу зарядов продуктов и реагентов: Dq = +2-7 = -5 (знак "-" показывает, что протекает процесс восстановления и 5 присоединяется к реагентам). Для второго процесса, превращения NO 2 - в NO 3 - , недостающий кислород поступает из воды к восстановителю, и в результате образуется избыток ионов Н + , при этом реагентытеряют 2 :
NO 2 - + H 2 O - 2 ® NO 3 - + 2H + .
Таким образом получаем:
2 | MnO 4 - + 8H + + 5 ® Mn 2+ + 4H 2 O (восстановление),
5 | NO 2 - + H 2 O - 2 ® NO 3 - + 2H + (окисление).
Умножая члены первого уравнения на 2, а второго - на 5 и складывая их, получим ионно-молекулярное уравнение данной реакции:
2MnO 4 - + 16H + + 5NO 2 - + 5H 2 O = 2Mn 2+ + 8H 2 O + 5NO 3 - + 10H + .
Сократив одинаковые частицы в левой и правой части уравнения, получаем окончательно ионно-молекулярное уравнение:
2MnO 4 - + 5NO 2 - + 6H + = 2Mn 2+ + 5NO 3 - + 3H 2 O.
По ионному уравнению составляем молекулярное уравнение:
2KMnO 4 + 5KNO 2 + 3H 2 SO 4 = 2MnSO 4 + 5KNO 3 + K 2 SO 4 + 3H 2 O.
В щелочной и нейтральных средах можно руководствоваться следующими правилами: в щелочной и нейтральной среде каждый освобождающийся окислителем атом кислорода соединяется с одной молекулой воды, образуя два гидроксид-иона (2ОН -), а каждый недостающий – поступает к восстановителю из 2-х ОН - -ионов с образованием одной молекулы воды в щелочной среде, а в нейтральной - поступает из воды с освобождением 2-х ионов Н + .
Если в окислительно-восстановительной реакции участвует пероксид водорода (Н 2 О 2), надо учитывать роль Н 2 О 2 в конкретной реакции. В Н 2 О 2 кислород находится в промежуточной степени окисления (-1), поэтому пероксид водорода в окислительно-восстановительных реакциях проявляет окислительно-восстановительную двойственность. В тех случаях, когда Н 2 О 2 является окислителем , полуреакции имеют следующий вид:
Н 2 О 2 + 2Н + + 2ē ® 2Н 2 О (кислая среда);
Н 2 О 2 +2ē ® 2ОН - (нейтральная и щелочная среды).
Если пероксид водорода является восстановителем :
Н 2 О 2 - 2ē ® О 2 + 2Н + (кислая среда);
H 2 O 2 + 2OH - - 2ē ® O 2 + 2H 2 O (щелочная и нейтральная).
Пример 6. Уравнять реакцию: KI + H 2 O 2 + H 2 SO 4 ® I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O.
Решение. Записываем реакцию в ионном виде:
I - + H 2 O 2 + 2H + ® I 2 + SO 4 2 - + H 2 O.
Cоставляем полуреакции, учитывая, что H 2 O 2 в этой реакции является окислителем и реакция протекает в кислой среде:
1 2I - - 2 = I 2 ,
1 H 2 O 2 + 2H + + 2 ® 2H 2 O.
Конечное уравнение: 2KI + H 2 O 2 + H 2 SO 4 ® I 2 + K 2 SO 4 + 2H 2 O.
Окислительно-восстановительные реакции, или сокращенно ОВР, являются одной из основ предмета химии, так как описывают взаимодействие отдельных химических элементов друг с другом. Как следует из названия данных реакций, в них участвуют как минимум два различных химических вещества одно из которых выступает в качестве окислителя, а другое – восстановителя. Очевидно, что очень важно уметь отличать и определять их в различных химических реакциях.
Как определить окислитель и восстановительОсновная сложность в определении окислителя и восстановителя в химических реакциях заключается в том, что одни и те же вещества в разных случаях могут быть как окислителями, так и восстановителями. Чтобы научиться правильно определять роль конкретного химического элемента в реакции нужно четко уяснить следующие базовые понятия.
- Окислением называют процесс отдачи электронов с внешнего электронного слоя химического элемента. В свою очередь окислителем будет атом, молекула или ион, которые принимают электроны и тем самым понижают степень своего окисления, что есть восстанавливаются . После химической реакции взаимодействия с другим веществом окислитель всегда приобретает положительный заряд.
- Восстановлением называют процесс присоединения электронов на внешний электронный слой химического элемента. Восстановителем будет атом, молекула или ион, которые отдают свои электроны и тем самым повышают степень своего окисления, то есть окисляются . После химической реакции взаимодействия с другим веществом восстановитель всегда приобретает положительный заряд.
- Проще говоря окислитель – это вещество, которое «отбирает» электроны, а восстановитель – вещество, которое отдает их окислителю. Определить кто в окислительно-восстановительной реакции выполняет роль окислителя, кто восстановителя и в каких случаях окислитель становится восстановителем и наоборот можно, зная типичное поведение в химических реакциях отдельных элементов.
- Типичными восстановителями являются металлы и водород: Fe, K, Ca, Cu, Mg, Na, Zn, H). Чем меньше они ионизироаны, тем больше их восстановительные свойства. Например, частично окислившееся железо, отдавшее один электрон и имеющее заряд +1, сможет отдать на один электрон меньше по сравнению с «чистым» железом. Также восстановителями могут быть соединения химических элементов в низшей степени окисления, у которых заполнены все свободные орбитали и которые могут только отдавать электроны, например аммиак NH 3 , сероводород H 2 S, бромоводород HBr, йодоводород HI, хлороводород HCl.
- Типичными окислителями являются многие неметаллы (F, Cl, I, O, Br). Также окислителями могут выступать металлы, имеющие высокую степень окисления (Fe +3 , Sn +4 , Mn +4), также некоторые соединения элементов в высокой степени окисления: перманганат калия KMnO 4 , серная кислота Н 2 SO 4 , азотная кислота HNO 3 , оксид меди CuO, хлорид железа FeCl 3 .
- Химические соединения в неполных или промежуточных степенях окисления, например одноосновная азотная кислота HNO 2 , пероксид водорода H 2 O 2 , сернистая кислота H 2 SO 3 могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства в зависимости от окислительно-восстановительных свойств участвующего во взаимодействии второго реагента.
Ка следует из данного примера один атом натрия отдает одному атому кислорода свой электрон. Следовательно, натрий является восстановителем, а кислород окислителем. При этом натрий окислится полностью, так как отдаст максимально возможное количество электронов, а атом кислорода будет восстановлен не полностью, так как сможет принять еще один электрон от другого атома кислорода.
По их функции в окислительно-восстановительных процессах их участники делятся на окислителей и восстановителей.
Окислители – это атомы, молекулы или ионы, принимающие электроны от других атомов. Степень окисления окислителя уменьшается.
Восстановители – атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны другим атомам. Степень окисления восстановителя повышается. При протекании ОВР окислитель восстанавливается, восстановитель – окисляется, причем оба процесса протекают одновременно.
Соответственно, окислители и восстановители взаимодействуют в таких соотношениях, чтобы числа принятых и отданных электронов были одинаковы.
Конкретное проявление окислительных или восстановительных свойств атомами различных элементов зависит от многих факторов. К важнейшим из них следует отнести положение элемента в таблице Менделеева, степень окисления элемента в данном веществе, особые свойства других участников реакции (характер среды для растворов, концентрация реагентов, температура, стереохимические свойства сложных частиц и др.)
Окислители.
Окислителями могут быть как простые, так и сложные вещества. Попытаемся определить, какие факторы определяют окислительные (и восстановительные) свойства веществ.
Об окислительной способности простых веществ можно судить по значениям относительной электроотрицательности (χ ). Это понятие отражает способность атома смещать к себе электронную плотность от других атомов, т.е. фактически является мерой окислительной способности простых веществ. Действительно, наиболее сильные окислительные свойства проявляют активные неметаллы с максимальными значениями электроотрицательности. Так,фтор F 2 проявляет только свойства окислителя , поскольку имеет самое большое значениеχ , равное 4,1 (по шкале Оллреда-Рохова). Второе место занимает кислород О 2 , для негоχ = 3,5, еще более сильные окислительные свойства проявляет озон О 3 . Третье место занимает азот (χ =3,07), но его окислительные свойства проявляются только при высоких температурах, поскольку молекула азотаN 2 обладает очень высокой прочностью, т.к. атомы связаны тройной связью. Достаточно сильные окислительные свойства имеют хлор и бром.
С другой стороны, минимальные значения электроотрицательности присущи металлам (χ = 0,8-1,6). Это означает, что собственные электроны атомов металлов удерживаются очень слабо и легко могут переходить к атомам с большей электроотрицательностью. Атомы металлов в нулевой степени могут проявлятьтолько восстановительные свойства и не могут принимать электроны. Наиболее выраженные восстановительные свойства проявляют металлыIА иIIА групп.
Окислительно-восстановительные свойства сложныхвеществ
Критерием окислительной способности атомов может служить степень окисления. Максимальная степень окисления соответствует переходу всех валентных электронов к другим атомам. Такой атом больше не может отдавать электроны, а может только принимать их. Таким образом, в максимальной степени окисления элемент может проявлять только окислительные свойств а. Тем не менее, необходимо отметить, что максимальная степень окисления не означает автоматическое проявление ярко выраженных окислительных свойств. Чтобы реализовались свойства сильного окислителя, частица должна быть неустойчивой, максимально несимметричной, с неравномерным распределением электронной плотности. Так, в разбавленных растворах сульфат-ионSO 4 2- , содержащий атом серы в максимальной степени окисления+6 , вообще не проявляет окислительных свойств, так как имеет высокосимметричное тетраэдрическое строение. Тогда как в концентрированных растворах серной кислоты заметная доля частиц находится в виде недиссоциированных молекул и ионовHSO 4 - , имеющих несимметричное строение с неравномерным распределением электронной плотности. Как следствие этого, концентрированная серная кислота, особенно при нагревании, очень сильный окислитель.
С другой стороны, минимальная степень окисления элемента означает, что атом неметалла принял максимально возможное число электронов на валентные подуровни и больше не может принимать электроны. Следовательно,
атомы неметаллов в минимальной степени окисления могут проявлять только восстановительные свойства .
Можно напомнить, что минимальная степень окисления неметалла равна номеру группы –8 . Как и в случае с серной кислотой, для реализации восстановительных свойств недостаточно иметь только минимальную степень окисления. В качестве примера можно привести азот в степени окисления –3. Высокосимметричный ион аммонияNH 4 + в растворе крайне слабый восстановитель. Молекула аммиака, обладающая меньшей симметричностью, проявляет достаточно сильные восстановительные свойства при нагревании. Можно привести реакцию восстановления из оксидов:
3FeO+ 2NH 3 = 3Fe+3H 2 O+N 2 .
Что же касается простых веществ с промежуточными значениями электроотрицательности (χ = 1,9 – 2,6), то для неметаллов можно ожидать реализации и окислительных, и восстановительных свойств. К таким веществам относятся водородH 2 , углеродC, фосфорP, сераS, иодI 2 и другие неметаллы средней активности. Естественно,металлы из этой категории простых веществ исключаются, так какне могут принимать электроны .
Эти вещества при взаимодействии с активными окислителями проявляют свойства восстановителей, а при реакциях с восстановителями проявляют свойства окислителей. В качестве примера приведем реакции серы:
0 0 +4 -2 0 0 +2 -2
S+O 2 =SO 2 Fe+S=FeS
как видно, в первой реакции сера-восстановитель, а во второй-окислитель.
Сложные вещества, содержащие атомы в промежуточных степенях окисления, также будут проявлять свойства и окислителей и восстановителей. Таких веществ очень много, поэтому назовем лишь наиболее часто встречающиеся. Это соединения серы (+4): в кислой среде SO 2 , а в щелочной и нейтральнойSO 3 2- иHSO 3 - . Если эти соединения участвуют в реакции в качестве восстановителей, то они будут окисляться до серы +6 (в газовой фазе доSO 3 , а в растворе доSO 4 2- . Если же соединения серы (+4) реагируют с активными восстановителями, то происходит восстановление до элементарной серы, или даже до сероводорода.
SO 2 + 4HI=S+ 2I 2 +2H 2 O
Многие соединения азота также проявляют окислительно-восстановительную двойственность. Представляет определенный интерес поведение нитрит-ионов NO 2 - . При их окислении образуется нитрат-ионNO 3 - , а при восстановлении газообразный монооксид азотаNO. Пример: 2NaNO 2 + 2NaI+2H 2 SO 4 =I 2 +NO+ 2Na 2 SO 4 +2H 2 O.
Рассмотрим еще один пример, на этот раз возьмем пероксид водорода, в котором степень окисления кислорода (-1). Если имеет место окисление этого вещества, то степень кислорода повысится до 0, и будет наблюдаться выделение газообразного водорода:
H 2 O 2 +Cl 2 = 2HCl+O 2 .
В реакциях окисления степень окисления кислорода в пероксидах понижается до (-2), что соответствует или воде H 2 O, или гидроксид –ионуOH - . В качестве примера приведем реакцию, часто используемую в реставрационных работах, при которых черный сульфид свинца при действии разбавленного раствора пероксида водорода превращается в белый сульфат:PbS (черный) +4H 2 O 2 =PbSO 4 (белый) +4H 2 O.
Таким образом, завершая вводную часть, приведем основные окислители, восстановители и вещества, могущие проявлять и окислительные и восстановительные свойства.
Окислители :F 2 ,O 2 ,O 3 ,Cl 2 ,Br 2 ,HNO 3 ,H 2 SO 4 (конц.),KMnO 4 ,K 2 Cr 2 O 7 ,PbO 2 ,NаBiO 3 , ионы в водном раствореFe 3+ ,Cu 2+ ,Ag + .
Восстановители :H 2 S,(S 2-),HI(I -),HBr(Br -),HCl(слабый),NH 3 (при высоких температурах), ионы в водном раствореFe 2+ ,Cr 2+ ,Sn 2+ и др.
Вещества с двойственными свойствами :H 2 ,C,P,As,S,I 2 ,CO,H 2 O 2 ,Na 2 O 2 ,NaNO 2 ,SO 2 (SO 3 2-) и, формально, практически все вещества, содержащие атомы с промежуточной степенью окисления.
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций .
Существует несколько способов составления уравнений ОВР. Обычно применяются
а) метод электронного баланса,
б) метод электронно-ионного баланса.
В основе обоих методов лежит нахождение таких количественных отношений между окислителем и восстановителем, при которых соблюдается равенство принятых и отданных электронов.
Метод электронного баланса является более универсальным, хотя и менее наглядным. Он основан на подсчете изменения степеней окисления атомов окислителя и восстановителя в исходных и конечных веществах. При работе с этим методом удобно следовать такому алгоритму.
Записывается молекулярная схема окислительно-восстановительной реакции,
Рассчитываются степени окисления атомов (обычно тех, которые ее меняют),
Определяются окислитель и восстановитель,
Устанавливаются числа электронов, принимаемых окислителем, и число электронов, отдаваемых восстановителем,
Находятся коэффициенты, при домножении на которые числа отданных и принятых электронов уравниваются,
Подбираются коэффициенты для других участников реакции.
Рассмотрим реакцию окисления сероводорода.
H 2 S+O 2 =SO 2 +H 2 O
В этой реакции сера (-2) является восстановителем, а молекулярный кислород - окислителем. Затем составляем электронный баланс.
S -2 -6e - →S +4 2 - коэффициент домножения для восстановителя
O 2 +4e - →2O -2 3 - коэффициент домножения для окислителя
Записываем формулы веществ с учетом коэффициентов домножения
2H 2 S+ 3O 2 = 2SO 2 +2H 2 O
Рассмотрим еще один случай – разложение нитрата алюминия Al(NO 3) 3 . В этом веществе атомы азота имеют высшую степень окисления (+5), а атомы кислорода – низшую (-2). Отсюда следует, что азот будет окислителем, а кислород – восстановителем. Составляем электронный баланс, зная, что весь азот восстанавливается до диоксида азота, а кислород окисляется до молекулярного кислорода. С учетом чисел атомов запишем:
3N +5 +3e - → 3N +4 4
2O -2 -4e - →O 2 o 3
тогда уравнение разложения запишется так: 4Al(NO 3) 3 =Al 2 O 3 + 12NO 2 + 3O 2 .
Метод электронного баланса обычно используют для определения коэффициентов в ОВР, протекающих в гетерогенных системах, содержащих твердые вещества или газы.
Для реакций, протекающих в растворах, обычно применяется метод электронно-ионного баланса , который учитывает влияние различных факторов на состав конечных продуктов.
Данный метод учитывает: а) кислотность среды, б)концентрации реагирующих веществ, в) реальное состояние реагирующих частиц в растворе, г) влияние температуры и др. Кроме того, для данного метода нет необходимости использовать степень окисления.
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
Реакции, в которых происходит изменение степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих соединений, называются окислительно-восстановительными. Под степенью окисления (с.о.) понимают заряд элемента в соединении, вычисленный, исходя из предположения , что соединение состоит из ионов .
Степень окисления элемента в простом веществе, например в Zn, Сa, H 2 , Вг 2 , S, O 2 , равна нулю.
Определение степени окисления элемента в соединении проводят, используя следующие положения:
1. Степень окисления кислорода в соединениях обычно равна –2. Исключения составляют пероксиды H 2 +1 O 2 –1 , Na 2 +1 O 2 –1 и фторид кислорода О +2 F 2 .
2. Степень окисления водорода в большинстве соединений равна +1, за исключением солеобразных гидридов, например, Na +1 H -1 .
3. Постоянную степень окисления имеют металлы IА группы (щелочные металлы) (+1); металлы IIА группы (бериллий, магний и щелочноземельные металлы (+2)); фтор (–1).
4. Алгебраическая сумма степеней окисления элементов в нейтральной молекуле равна нулю, в сложном ионе – заряду иона.
В качестве примера рассчитаем степень окисления марганца в соединении К 2 MnO 4 и в анионе (MnO 4) − . Сначала поставим степень окисления над теми элементами, для которых она известна. В нашем примере постоянную степень окисления имеют калий (+1) и кислород (-2). Степень окисления марганца обозначим через х . Далее составляем алгебраическое уравнение. Для этого индекс при каждом элементе умножаем на степень окисления этого элемента, все складываем и приравниваем правую часть нулю:
К 2 +1 Mn х O 4 –2 2∙(+1)+ x + 4 (–2) = 0 x = + 6
Таким образом, степень окисления хрома в К 2 MnO 4 равна +6.
Чтобы определить степень окисления марганца в анионе (MnO 4) ‾ поступаем точно также, только правую часть приравниваем заряду иона, в нашем случае -1
(Mn х O 4 −2) ‾ x + 4 (–2) = –1 x = + 7.
В окислительно-восстановительных реакциях электроны от одних атомов, молекул или ионов переходят к другим.Окисление – процесс отдачи электронов , сопровождающийся повышением степени окисления элемента. Восстановление – процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления элемента. Окисление и восстановление – взаимосвязанные процессы, протекающие одновременно. Окислителями называют вещества (атомы, молекулы или ионы), которые в процессе реакции присоединяют электроны , восстановителями – вещества, отдающие электроны.
Ca 0 + Cl 2 0 = Ca +2 Cl 2 –1
восстановитель Ca 0 –2ē → Ca +2 окисление
окислитель Cl 2 0 +2ē → 2Cl – восстановление.
Окислителями могут быть:
1. Простые вещества - неметаллы: галогены F 2 ,Cl 2 , Br 2 , I 2 , кислород O 2 , сера S.
2. Положительно заряженные ионы металлов Fe 3+ , Au 3+ , Hg 2+ , Cu 2+ , Ag + .
3. Сложные ионы и молекулы, содержащие атомы металла в высшей степени окисления KMn +7 O 4 , K 2 Cr 2 +6 O 7 , NaBi +5 O 3 и др.
4. Атомы неметаллов в положительной степени окисления HN +5 O 3 , концентрированная H 2 S +4 O 4 , HCl +1 O, KCl +5 O 3 , NaBr +1 O и др.).
Типичными восстановителями являются:
1. Простые вещества - металлы. У металлов на внешнем уровне находится 1, 2, 3 электрона, которые они легко отдают М 0 −nē → М n + ,
где n – число отданных электронов, равное 1, 2, 3, М – металл (Na, Ca, Mg, Al и др.)
2. Простые вещества - неметаллы (углерод, водород, кремний, бор).
3. Отрицательно заряженные ионы неметаллов (S 2- , I - , Br - , Cl - и др.).
4. Положительно заряженные ионы металлов в низшей степени окисления (Sn 2+ , Fe 2+ , Cr 2+ , Mn 2+ , Cu + и др.).
Соединения, содержащие элементы в максимальной и минимальной степенях окисления, могут быть соответственно или только окислителями (KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7 , HNO 3 , H 2 SO 4 , PbO 2), или только восстановителями (KI, Na 2 S, NH 3). Если же вещество содержит элемент в промежуточной степени окисления, то в зависимости от условий проведения реакции оно может быть и окислителем, и восстановителем. Например, нитрит калия KNO 2 , содержащий азот в степени окисления +3, пероксид водорода H 2 O 2 , содержащий кислород в степени окисления -1, в присутствии сильных окислителей проявляют восстановительные свойства, а при взаимодействии с активными восстановителями являются окислителями.
Многие женщины любят регулярно обновлять цвет волос. Кроме классической краски необходимо пользоваться окислителем. Это позволит получить насыщенный оттенок. Что такое окислитель? Средство необходимо, чтобы краска воздействовала на волосы и они обретали желаемый тон. Без использования окислителя не получится отличный результат.
Самым важным веществом является перекись водорода, содержание которого в окислителе может быть разным. Обычно этот показатель равен 1,8-12%. Если компонент находится в количестве до 2%, то косметика является щадящей. Краска не выполнит длительное окрашивание.
Виды окислителей
Разливается несколько окислителей, содержащих 3, 6 и 9%. Средства относят к ряду классических:
- С 3% получится окрасить волосы в естественный оттенок, немного осветлить или затемнить.
- 6% перекиси позволит изменить цвет волос на 2 тона, а также закрасить седину, рыжий тон.
- Что такое окислитель с 9%? Со средством можно закрасить жесткие волосы, их седину, получается насыщенный цвет.
На каждой упаковке указано, сколько перекиси водорода. Но не стоит абсолютно полагаться на эти данные, поскольку эффект может быть разным. Окислитель применяется и для смывания краски, если оттенок получился непривлекательным.
Средство для смывания краски
Что такое окислитель для смывания? Это такое же средство, только позволяет убрать некрасивый цвет. Концентрация состава для смывания равна больше 12%. Средство наносится на локоны расческой, а через установленное по процедуре время можно промывать их шампунем.
Часто такую процедуру выполнять не стоит, чтобы не повредить волосы. Окислитель для краски способен сделать пряди сухими. После окрашивания нужно воспользоваться бальзамом, который обладает смягчающим действием.
Пропорции
Важно знать не только то, что такое окислитель, но и как его используют. Обычно на упаковке краски обозначено, в каких соотношениях надо смешивать компоненты. Если окислитель для волос продается отдельно, то на тубе будут указаны правила применения. Если требуется яркий цвет, то необходимо смешивание в одинаковых пропорциях. Количество компонентов зависит от вида средства.
Не следует нарушать пропорции, иначе это может привести к негативному результату. Когда окислитель содержится в меньшем количестве, то цвет не получится насыщенным. Это не позволит скрыть седину. Много краски приводит к тому, что волосы становятся жесткими. А восстановление длится достаточно долго. Без окислителя тоже не стоит использовать краску, поскольку она не воздействует.
Правила разведения
Во время процедуры важно не навредить локонам. А если они и до этого были ослабленными, то потребуется много сеансов восстановления. Чтобы сделать все правильно, необходимо грамотно мешать проявитель и краску. Сначала следует ознакомиться с прилагающимися инструкциями.
Если в краске есть масляные компоненты, то важно учитывать, что такие средства не могут использоваться с перекисью. С применением профессиональных красок надо выполнить проверку кожи на аллергию. Готовое средство надо нанести на запястье, а затем посмотреть на реакцию. В случае сворачивания этот состав не подходит.
Окислитель "Эстель" имеет в комплекте подробную инструкцию, поэтому получится качественное средство. Для смешивания компонентов желательно пользоваться пластмассовой, керамической или стеклянной емкостью. Сначала добавляется окислитель, а потом краска. Компоненты надо тщательно смешать, чтобы получилась однородная масса. Лучше воспользоваться специальной кистью.
Чтобы получилась качественная масса для окрашивания, нужно использовать средства одной фирмы. Если все сделать правильно, то получится насыщенный цвет. Добавлять другие компоненты тоже не стоит, поскольку результат этого непредсказуем.
Окислитель для краски для волос желательно брать с содержанием перекиси в количестве 6-7,5%. Следует выбрать 2 пачки краски, если локоны длинные. Не нужно жалеть, ведь только тогда получится насыщенный тон. Но самый яркий цвет будет в том случае, если состав будет содержать окислитель и аммиак.
Особенности выбора
Необходимо покупать средства одной фирмы, поскольку так получится качественный результат. Правильно рассчитав пропорции, вы угадаете, и волосы обретут желаемый оттенок. Средства разных производителей могут принести неожиданный результат. Можно приобрести компоненты в комплекте или по отдельности.
Необходимо проверить, подходит ли цвет. Он может немного отличаться от того, который указан на упаковке. Важно узнать срок годности, поскольку просроченный продукт не принесет нужного результата. Тем более что он может повредить волосы.
Желательно брать средства проверенных марок, которые используются неоднократно. Для процедуры надо приобрести специальные инструменты, если их нет в комплекте. У средства должна быть сохранена целостность упаковки.
Стоимость и виды фирм
Цена компонентов находится в пределах 300-500 рублей. Производители, выпускающие краску в комплекте, продают компоненты и по отдельности. Некоторым женщинам это удобно. Одного средства нередко хватает на 2 процедуры.
В продаже есть "Матрикс". С этим средством не получится насыщенный тон, поэтому его используют для поддержания оттенка. Матрикс не подойдет для закрашивания седины. Есть профессиональная краска "Селектив", имеющая богатую палитру. Краска "Эстель" тоже относится к числу качественных.
Желательно покупать продукцию профессиональных брендов. В этом случае у волос сохраняется естественная структура, и поэтому они повреждаются немного. Окислитель "Матрикс" стоит около 700 рублей, а "Кутрин" - 500. Правильно выбранное средство позволит прекрасно обновить цвет волос.
