Использование шкалы степеней окисления элементов при изучении окислительно-восстановительных процессов

Для осознанного, порой творческого подхода к работе с уравнениями окислительно-восстановительных процессов рекомендуем шкалу степеней окисления элементов.

Ее составление не вызывает у обучаемых затруднений, так как ко времени изучения этого материала изучены понятия: степень окисления, процессы окисления и восстановления, виды химической связи.

Составление шкалы степеней окисления

Металлы могут быть только восстановителями, то есть при реакции отдают электроны.
Пример: Na⁰-1ē=Na⁺; Mg⁰-2ē=Mg²⁺; Al⁰-3ē=Al³⁺

Причем, логично представить их максимальные степени окисления по группам (таблица 1).

Таблица 1. "Шкала степеней окисления металлов"

Таблица "Шкала степеней окисления металлов"

Неметаллы в реакциях могут проявлять двойственность: при реакциях с типичными восстановителями принимают от них электроны, а с более сильными окислителями – отдают. Например: С⁰+4ē=С^-4, С⁰-4ē=С⁺⁴.

Поэтому их шкала включает и положительное и отрицательное степени окисления (таблица 2).

Таблица 2. "Шкала степеней окисления неметаллов"

Таблица "Шкала степеней окисления неметаллов"

Использование шкалы степеней окисления элементов

Пользуясь таблицами 1 и 2 попытаемся ответить на вопросы:

1. Может ли K²CrO⁴ быть восстановлением?
Ответ: нет, так как Cr⁺⁶ находится в максимальной степени окисления.

2. Какими свойствами (окислительными и восстановительными) обладает аммиак NH₃?
Ответ: только восстановительными.

3. Могут ли протекать ОВР между веществами:
а) K + Sn →
б) K₂SO₃ + K₂CrO₄
в) K₂S и HNO₃
г) Na₂CrO₄ и KMnO₄

Ответ: Невозможно протекание реакций "а" (два металла-восстановителя) и "г" (два окислителя). Реакции "б" и "в" возможны, так как в них участвуют вещества – окислители и восстановители.

4. Составить формулы возможных продуктов реакции:
а) SO₂ + O₂ →
б) FeCl₂ + Cl₂ →
в) CO₂ + O₂ →
г) NH₃ + H₂ →
Ответ: продукты реакций "а" и "б" - SO3 и FeCl₃; протекание реакций "в" и "г" невозможно.

Тестовые задания

1) Какое вещество может быть только восстановлением:
а) Na₂S

б) Na₂SO₄
в) S
г) Na₂SO₄ ?
Ответ: а.

2) Какое вещество может быть только окислителем:
а) Mn^₀
б) K₂MnO₄
в) MnO₂
г) KMnO₄ ?
Ответ: г.

Определение продуктов реакций

Реакции между простыми веществами

1. Реакции металлов с неметаллами. Например, реакция магния с хлором проходит по ОВ-"сценарию", так как магний (см. таблицу 1) – восстановитель, а хлор (в данном случае) – окислитель:
Mg⁰ - 2ē = Mg⁺²
Cl₂⁰ + 2ē = 2Cl^-

Молекулярное уравнение этой реакции Mg⁰+Cl₂⁰ = Mg⁺²Cl₂^-

Реакции между двумя неметаллами
Вначале необходимо оценить их положение в Периодической системе, изменение их электроотрицательности. (увеличение в периоде слева – направо, в группе сверху вниз)
Если вступают в реакцию кремний и кислород, то в ней кислород будет окислителем, а кремний – восстановителем. С учетом их max и min степеней окисления (таблица 2) эти изменения выглядят так:

Рекция кремния и кислорода

Что отражается в уравнении: Si + O₂⁰ = Si⁺⁴O₂^-2

Реакции между сложными веществами

Пример 1. Предположите возможность протекания реакции между NH₃ (аммиак) и CuO (оксид меди II).
Определив степени окисления элементов N^-3H₃⁺ и Cu⁺²O^-2, заключаем: азот N^-3 – восстановитель, а Cu⁺² – окислитель:
2N^-3 -6ē = N₂⁰
Cu⁺² + 2ē = Cu⁰

Схема же реакции выглядит следующим образом: NH₃+CuO → Cu⁰ + N⁰₂ + H₂O

Пример 2. Найти продукты реакции между перманганатом калия и соляной кислотой.
Анализ формул приводит к выводу: Mn⁺⁷ (в молекуле KMnO₄) – окислитель, а Cl^- (в HCl) – восстановитель; причем в кислой среде Mn⁺⁷ переходит в Mn⁺²:

Схематично это выглядит следующим образом:
KMnO₄ + HCl → Mn⁺² + Cl₂↑

С учетом участвующих элементов (K, H, O) схема реакции выглядит так:
KMnO₄ + HCl ⇒ MnCl₂ + KCl + Cl₂ + H₂O, а, используя электронный баланс:

Mn⁺⁷+5ē=Mn⁺²
2Cl^- - 2ē = Cl⁰₂

Mn⁺⁷ - окислитель, процесс восстановления; Cl^- - восстановитель, процесс окисления,

Cоставляем полное уравнение реакции: 2KMnO₄ + 16HCl = 2MnCl₂+2KCl+5Cl₂+8H₂O.

Пример 3. Почему возможна реакция между H₂S и H₂SO₄ и невозможна между H₂S и серой?

В первой паре веществ сера имеет степени окисления -2 и +6. В шкале (таблица 2) между этими степенями имеются промежуточные значения 0 и +4. Следовательно, возможны варианты реакций:
H₂S + H₂SO₄ → S⁰ + H₂O
H₂S + H₂SO₄ → SO₂ + H₂O

Во второй паре степени окисления серы -2 и 0, между этими значениями промежуточные отсутствуют. Реакция невозможна.

Работа по схемам превращений

Предлагаем несколько вариантов схем превращений.

Схемы превращений

Разберем схему "а". Азот N^-3 при превращении в N⁰ теряет электроны при реакции с окислителем:

1) N^-3H₃ + O⁰₂ → N⁰₂+H₂O
В дальнейшем азот опять окисляется:

2) N⁰₂ + O₂ → N⁺²O^-2
Приобрести исходную степень окисления N⁰ может при реакции с восстановителями (H₂, активные металлы):

3) N⁰₂ + Na⁰ → Na⁺₃N^-3.
Примечание: в схемах не расставлены коэффициенты, не написаны электронные уравнения с балансом, не определены ОВ-процессы. В данном случае, читатели смогут это сделать самостоятельно. Как и разобрать схемы "б" и "в".

Шкала степеней окисления проста в использовании. Обучаемые получают при этом правильные мировоззренческие представления о сути ОВ-процессах, перехода электронов, электронном балансе.

Имея шкалу, значительно легче определять вещества – окислители и восстановители, определять возможность протекания процессов, находить продукты реакций, составлять электронные уравнения и уравнения ОВ-реакций.

P.s. Посмотрите полезное видео по определению степени окисления химических элементов.