Окислительно-восстановительные реакции, понятие о методе электронного баланса

Реакции, протекают с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными. Если в ходе химической реакции степень окисления атома повышается, то говорят, что он окисляется. Если же степень окисления снижается, то говорят, что он восстанавливается.

Окисление - это процесс отдачи электронов. Восстановление - это процесс присоединения электронов. Например, натрий активно взаимодействует с хлором (внешне это напоминает горение с выделением белого дыма - очень мелких кристаллов NaCl). В соли, которая образуется, Натрий заряжен положительно, а Хлор негативно. Следовательно, натрий отдал электроны - окислился, а хлор принял электроны - восстановился.

Окислителями называются вещества, которые присоединяют электроны. Во время реакции они восстанавливаются. Восстановителями называются вещества, отдающие электроны. Во время реакции они окисляются.

Поскольку окислитель присоединяет электроны, степень окисления его атомов может только уменьшаться. Наоборот, восстановитель теряет электроны и степень окисления его атомов должен повышаться.

Окисление всегда сопровождается восстановлением и, наоборот, восстановление всегда связано с окисненням.

Число электронов, что отдает восстановителем, равно числу электронов, присоединяется окисником.

Если атом окисника может принять иное количество электронов, чем атом отдает восстановителя, то необходимо так подобрать количество атомов того и другого реагента, чтобы количество отданных и принятых электронов была одинаковой. Это требование положено в основу метода электронного баланса, с помощью которого сравнивают уравнения окислительно-восстановительных реакций.

Напишем уравнение реакции между алюминием и кислородом:

Al + O₂ = Al₂O_3.

Сначала расставим степени окисления каждого химического элемента в схеме реакции:

Выпишем схемы процессов для каждому химическому элементу, степень окисления которых меняется. Алюминий отдает электроны (приобретает положительный степень окисления), а Кислород принимает электроны (приобретает негативный степень окисления). Чтобы получить степень окисления +3, атом алюминия имеет 3 отдать электроны. Молекула кислорода, чтобы превратиться в атомы Кислорода со степенью окисления -2, должен принять 4 электрона:

Чтобы количество отданных и принятых электронов сравнялась, нужно подобрать коэффициенты. Сначала находим наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (для чисел 3 и 4 это число 12). Делим наименьшее общее кратное количество электронов и получаем множители для каждой строки баланса. Первую срока надо умножить на 4, а вторую - на 3.

Если теперь в уравнении перед восстановителем (Al) мы поставим найден нами коэффициент 4, а перед окисником (O₂) - найден нами коэффициент 3, то количество отданных и принятых электронов становится равной 12. Таким образом мы достигли электронного баланса. Видно, что перед продуктом реакции Al₂O₃ необходимо поставить коэффициент 2. Теперь уравнение окислительно-восстановительной реакции сравнимое:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O_3.

Для проверки правильности написания уравнения необходимо подсчитать число атомов каждого элемента в обеих частях уравнения. Обычно проверку проводят по числу атомов Кислорода.

Значение окислительно восстановительных реакций в природе и технике

Окислительно-восстановительные реакции играют огромную роль в природе и технике. Без этих реакций невозможна жизнь. Дыхание, обмен веществ, синтез растениями клетчатки с углекислого газа и воды - все это окислительно-восстановительные процессы.

В технике за помощью реакций этого типа получают такие важные вещества, как аммиак (NH₃), сульфатную (H₂SO₄) и хлоридную (HCl) кислоты и много других продуктов. Вся металлургия основана на восстановлении металлов из их природных соединений - руд. Все реакции горения являются окислительно-восстановительными.

Большинство химических реакций, происходящих в природе - окислительно-восстановительные.