Вопрос, страница 112 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 17. Окислительно-восстановительные реакции. Глава 4. Химические реакции - страница 112.

Условие.

Что такое степень окисления?

Какие реакции относятся к окислительно-восстановительным?

Какие вещества являются окислителями, а какие — восстановителями?

Какие типы окислительно-восстановительных реакций вы знаете?

Решение.

Решение 2.

Что такое степень окисления?

Степень окисления — это условный заряд атома в химическом соединении, вычисленный из предположения, что все связи в этом соединении являются ионными (то есть электроны, образующие связь, полностью перешли к более электроотрицательному атому). Это формальное понятие, которое помогает отслеживать перераспределение электронов в ходе химических реакций, особенно в окислительно-восстановительных процессах.

Основные правила для определения степени окисления:

• Степень окисления атомов в простых веществах (состоящих из атомов одного элемента) равна нулю. Например, в $O_2$, $Na$, $S_8$ степени окисления кислорода, натрия и серы равны 0.
• Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю. В многоатомном ионе эта сумма равна заряду иона.
• Для одноатомного иона степень окисления равна его заряду. Например, в ионе $Na^+$ степень окисления натрия +1, а в ионе $Cl^-$ степень окисления хлора -1.
• Фтор, как самый электроотрицательный элемент, во всех соединениях имеет степень окисления -1.
• Кислород в большинстве соединений имеет степень окисления -2. Исключения составляют пероксиды (например, в $H_2O_2$ степень окисления кислорода -1), надпероксиды ($KO_2$, степень окисления -1/2) и соединения с фтором ($OF_2$, степень окисления +2).
• Водород в большинстве соединений имеет степень окисления +1. Исключение — гидриды активных металлов (например, в $NaH$ степень окисления водорода -1).
• Щелочные металлы (I группа) в соединениях всегда имеют степень окисления +1, а щелочноземельные металлы (II группа) — +2.

Например, в молекуле серной кислоты $H_2SO_4$: у водорода степень окисления +1, у кислорода -2. Обозначим степень окисления серы через $x$. Так как молекула электронейтральна, сумма степеней окисления всех атомов равна нулю: $2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $2 + x - 8 = 0$, и $x = +6$. Таким образом, степень окисления серы в $H_2SO_4$ равна +6.

Ответ: Степень окисления — это условный заряд атома в молекуле, рассчитанный исходя из допущения, что все химические связи имеют ионный характер.

Какие реакции относятся к окислительно-восстановительным?

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют химические реакции, в ходе которых происходит изменение степеней окисления у атомов одного или нескольких элементов, входящих в состав реагирующих веществ.

В основе любой ОВР лежит процесс переноса электронов от одних атомов к другим:

• Окисление — это процесс отдачи электронов атомом, ионом или молекулой, который сопровождается увеличением степени окисления.
• Восстановление — это процесс принятия электронов атомом, ионом или молекулой, который сопровождается понижением степени окисления.

Окисление и восстановление — это две взаимосвязанные стороны единого процесса, они всегда протекают одновременно. Не может быть окисления без восстановления, и наоборот.

Примером ОВР является взаимодействие цинка с соляной кислотой:
$ \stackrel{0}{Zn} + 2H\stackrel{+1}{Cl} \rightarrow \stackrel{+2}{Zn}Cl_2 + \stackrel{0}{H_2} $
В этой реакции цинк ($Zn$) отдает два электрона и повышает свою степень окисления с 0 до +2 (окисляется). Ионы водорода ($H^+$) принимают электроны и понижают свою степень окисления с +1 до 0 (восстанавливаются).

Реакции, которые протекают без изменения степеней окисления, не являются окислительно-восстановительными. К ним относятся многие реакции ионного обмена, например, реакция нейтрализации:
$ Na\stackrel{+1}{O}\stackrel{-2}{H}\stackrel{+1}{} + H\stackrel{+1}{Cl}\stackrel{-1}{} \rightarrow Na\stackrel{+1}{Cl}\stackrel{-1}{} + H_2\stackrel{+1}{O}\stackrel{-2}{} $
Здесь степени окисления всех элементов остаются неизменными.

Ответ: К окислительно-восстановительным относятся реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов химических элементов.

Какие вещества являются окислителями, а какие — восстановителями?

В окислительно-восстановительных реакциях участвуют два типа веществ: окислители и восстановители.

• Окислители — это атомы, ионы или молекулы, которые принимают электроны в ходе реакции. Принимая электроны, они вызывают окисление другого вещества, а сами при этом восстанавливаются (их степень окисления понижается).
  Типичными окислителями являются:
  • Простые вещества — неметаллы с высокой электроотрицательностью: $O_2, O_3, F_2, Cl_2$.
  • Соединения, содержащие элементы в высшей или высокой степени окисления: перманганат калия ($K\stackrel{+7}{Mn}O_4$), дихромат калия ($K_2\stackrel{+6}{Cr}_2O_7$), концентрированная серная кислота ($H_2\stackrel{+6}{S}O_4$), азотная кислота ($H\stackrel{+5}{N}O_3$).
  • Катионы металлов с высокой степенью окисления: $Fe^{3+}, Cu^{2+}$.
• Восстановители — это атомы, ионы или молекулы, которые отдают электроны в ходе реакции. Отдавая электроны, они вызывают восстановление другого вещества, а сами при этом окисляются (их степень окисления повышается).
  Типичными восстановителями являются:
  • Простые вещества — металлы ($Na, K, Al, Zn, Fe$) и некоторые неметаллы ($H_2, C$).
  • Соединения, содержащие элементы в низшей или промежуточной степени окисления: сероводород ($H_2\stackrel{-2}{S}$), аммиак ($\stackrel{-3}{N}H_3$), иодиды ($I^-$), оксид углерода(II) ($\stackrel{+2}{C}O$).

Некоторые вещества могут проявлять окислительно-восстановительную двойственность, то есть могут быть как окислителями, так и восстановителями в зависимости от партнера по реакции. Это характерно для веществ, содержащих элемент в промежуточной степени окисления. Например, пероксид водорода ($H_2\stackrel{-1}{O}_2$), нитриты (содержат ион $\stackrel{+3}{N}O_2^-$), диоксид серы ($\stackrel{+4}{S}O_2$).

Ответ: Окислители — вещества, принимающие электроны и понижающие свою степень окисления. Восстановители — вещества, отдающие электроны и повышающие свою степень окисления.

Какие типы окислительно-восстановительных реакций вы знаете?

Окислительно-восстановительные реакции классифицируют по нескольким признакам. Наиболее распространенной является классификация, основанная на том, какие вещества являются окислителем и восстановителем.

1. Межмолекулярные реакции — самый распространенный тип ОВР, в котором атомы-окислители и атомы-восстановители находятся в молекулах разных веществ.
   Пример: $2FeCl_3 + 2KI \rightarrow 2FeCl_2 + I_2 + 2KCl$.
   Здесь окислитель ($\stackrel{+3}{Fe}$ в $FeCl_3$) и восстановитель ($\stackrel{-1}{I}$ в $KI$) находятся в разных исходных веществах.
2. Внутримолекулярные реакции — реакции, в которых атом-окислитель и атом-восстановитель находятся в составе одной и той же молекулы.
   Пример: разложение дихромата аммония (вулканчик).
   $(\stackrel{-3}{N}H_4)_2\stackrel{+6}{Cr}_2O_7 \xrightarrow{t} \stackrel{0}{N}_2 + \stackrel{+3}{Cr}_2O_3 + 4H_2O$.
   Здесь восстановитель (азот в степени окисления -3) и окислитель (хром в степени окисления +6) входят в состав одной формульной единицы.
3. Реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления) — реакции, в которых одно и то же вещество, содержащее элемент в промежуточной степени окисления, выступает и в роли окислителя, и в роли восстановителя. В результате образуются два продукта, в которых этот элемент имеет более высокую и более низкую степень окисления.
   Пример: растворение хлора в щелочи.
   $\stackrel{0}{Cl}_2 + 2NaOH \rightarrow Na\stackrel{-1}{Cl} + Na\stackrel{+1}{Cl}O + H_2O$.
   Атом хлора ($\stackrel{0}{Cl}$) одновременно и понижает степень окисления до -1, и повышает до +1.
4. Реакции конпропорционирования (сопропорционирования) — реакции, обратные диспропорционированию. В них из двух веществ, содержащих один и тот же элемент в разных степенях окисления, образуется продукт, в котором этот элемент имеет одну, промежуточную, степень окисления.
   Пример: взаимодействие сероводорода и диоксида серы.
   $2H_2\stackrel{-2}{S} + \stackrel{+4}{S}O_2 \rightarrow 3\stackrel{0}{S} + 2H_2O$.
   Сера из степени окисления -2 (восстановитель) и сера из степени окисления +4 (окислитель) переходят в одну степень окисления 0.

Ответ: Существуют межмолекулярные, внутримолекулярные реакции, реакции диспропорционирования и конпропорционирования.