Неорганическая химия

AlPO4

27. Окислительно-восстановительные реакции

Одним из основных понятий неорганической химии является понятие о степени окисления (СО).

Степенью окисления элемента в соединении на–зывается формальный заряд атома элемента, вычис– ленный из предположения, что валентные электроны переходят к атомам с большей относительной электро–отрицательностью (ОЭО) и все связи в молекуле сое–динения являются ионными.

Степень окисления элемента Э указывают вверху над символом элемента со знаком « + » или « – » перед цифрой.

Степень окисления ионов, реально существующих в растворе или кристаллах, совпадает с их зарядовым числом и обозначается аналогично со знаком « + » или « – » после цифры, например Cl^- ,Са²⁺.

Применяют также метод Штока обозначения степе–ни окисления римскими цифрами после символа эле–мента: Mn (VII), Fe (III).

Вопрос о знаке степени окисления атомов в молеку–ле решается на основании сопоставления электро- отрицательностей связанных между собой атомов, которые образуют молекулу. При этом атом с мень–шей электроотрицательностью имеет положительную степень окисления, а с большей электроотрицатель– ностью – отрицательную.

Следует отметить, что нельзя отождествлять степень окисления с валентностью элемента. Валентность, определяемая как число химических связей, которыми данный атом соединен с другими атомами, не может равняться нулю и не имеет знака « + » или « – ». Степень окисления может иметь как положительное, так и отри–цательное значение, а также принимать нулевое и да–же дробное значение. Так, в молекуле СO₂ степень окисления С равна +4, а в молекуле СН₄ степень окисления С равна –4. Валентность же углерод4 а и в том, и в другом соединении равна IV.

Несмотря на указанные выше недостатки, использо–вание понятия степени окисления удобно при класси–фикации химических соединений и составлении урав–нений окислительно-восстановительных реакций.

При окислении элемента степень окисления увели–чивается, иначе говоря, восстановитель при реакции повышает степень окисления.

Наоборот, при восстановлении элемента степень окисления понижается, т. е. при реакции окислитель уменьшает степень окисления.

Таким образом, можно дать и такую формулировку окислительно-восстановительных реакций: окисли– тельно-восстановительными реакциями называ–ются реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ.

28. Окислители и восстановители

Для прогноза продуктов и направления окислительно-восстановительных реакций полезно помнить, что типич–ными окислителями являются простые вещества, атомы которых имеют большую ОЭО > 3,0 (элементы VIA– и VIIA-групп). Из них наиболее сильные окислители фтор (ОЭО = 4,0), кислород (ОЭО = 3,0), хлор (ОЭО = 3,5). К важ–ным окислителям относятся PbO₂ , KMnO₄ , Cа(SO₄)₂ , К₂Сr₂O₇ , HClO, HClO₃, КСIO₄, NaBiO₃, H₂SO4_(конц), HNO_3(конц) , Na₂O₂ , (NH₄)₂S₂O₈ , КСIO₃ , H₂O₂ и другие вещества, кото–рые содержат атомы с высшей или высокой СО.

К типичным восстановителям относятся простые ве–щества, атомы которых имеют малую ОЭО < 1,5 (метал–лы IA– и IIA-групп и некоторые другие металлы). К важ–ным восстановителям относятся H₂S, NH₃, HI, KI, SnCl₂ , FeSO₄ , C, H₂ , CO, H₂SO₃ , Cr₂(SO₄)₃ , CuCl, Na₂S₂O₃ и дру–гие вещества, которые содержат атомы с низкими СО.

Вещества, содержащие атомы в максимальной и ми–нимальной степенях окисления, могут быть соответст–венно только окислителями, например К₂Сг₂O₇ , КМпO₄ , PbO₂ , HClO₄ или только восстановителями, например NH₃ , H₂S, HI.

Вещества, содержащие атомы в промежуточных сте–пенях окисления, способны как повышать, так и понижать степень окисления, т. е. могут быть как восстановителя–ми (при действии более активного, чем они, окислителя), так и окислителями (при действии более активного, чем они, восстановителя). Такие вещества проявляют оки–слительно-восстановительную двойственность.

При составлении уравнений окислительно-восстано–вительных реакций можно применять два метода: метод электронного баланса и ионно-электронный метод (ме–тод полуреакций). Более правильное представление об окислительно-восстановительных процессах в растворах 28б дает ионно-электронный метод. С помощью этого метода прогнозируют изменения, которые претер–певают реально существующие в растворе ионы и моле–кулы.

Помимо прогнозирования продуктов реакции, ион–ные уравнения полуреакций необходимы для пони– мания окислительно-восстановительных процессов, протекающих при электролизе и в гальванических эле– ментах. Этот метод отражает роль среды как участни–ка процесса. И наконец, при использовании этого ме– тода необязательно заранее знать все образующиеся вещества, так как многие из них получаются при со– ставлении уравнения окислительно-восстановитель–ных реакций.

Следует иметь в виду, что хотя полуреакции отра–жают реальные процессы, идущие при окислительно-восстановительных реакциях, их нельзя отождествлять с реальными стадиями (механизмом) окислительно-восстановительных реакций.

На характер и направление окислительно-восстано–вительных реакций влияют многие факторы: природа реагирующих веществ, реакция среды, концентрация, температура, катализаторы.

Следует иметь в виду, что отрицательное значение не всегда приводит к однозначному решению о реаль–ном протекании реакции в данном направлении, так как дополнительно необходимо учитывать кинетиче–ский фактор.

29. Биологическое значение окислительно-восстановительных процессов

Окислительно-восстановительными реакциями называются химические процессы, сопровождающие–ся переносом электронов от одних молекул или ионов к другим.

При окислительно-восстановительных реакциях про–текают два взаимосвязанных процесса: окисление и вос–становление.

Окислением называется процесс потери электронов. Восстановлением – процесс присоединения элект– ронов.

Вещества, атомы или ионы которых отдают электро–ны, называются восстановителями. Вещества, атомы или ионы которых присоединяют электроны (или оття–гивают к себе общую пару электронов), называются окислителями.

В реакции цинка с CuSO₄ Cu₂ + присоединяют элект–роны:

Си²⁺ + 2^е? – Си⁰ .

Атомы цинка отдают электроны:

Zn⁰ – Zn² + 2^e?.

Соответственно, CuSO⁴ – окислитель, Zn – восста–новитель.

Важными процессами в животных организмах яв–ляются реакции ферментативного окисления веществ- субстратов: углеводов, жиров, аминокислот. В резуль–тате этих процессов организмы получают большое количество энергии. Приблизительно 90% всей по–требности взрослого мужчины в энергии покрывается за счет энергии, вырабатываемой в тканях при окисле–нии углеводов и жиров. Остальную часть энергии – ~10% дает окислительное расщепление аминокислот.

Биологическое окисление протекает по сложным механизмам при участии большого числа фермен–тов. В митохондриях окисление происходит в резуль–тате переноса электронов от органических субстратов. В