Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

8.1: Окислення та зменшення - Чотири думки

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    20538

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Визначте окислення і відновлення.
    • Призначте числа окислення атомам в простих сполуках.
    • Розпізнати реакцію як окислювально-відновну реакцію.

    Кисень - елемент, який відомий століттями. У чистому елементарному вигляді кисень є високоактивним, і він легко робить сполуки з більшістю інших елементів. Це також найпоширеніший елемент за масою в земній корі. Клас реакцій, званих окисленням і відновленням, спочатку визначався щодо елемента кисню.

    Багато елементів просто поєднуються з киснем, утворюючи оксид цього елемента. Нагрівання магнію в повітрі дозволяє йому поєднуватися з киснем, утворюючи оксид магнію.

    \[2 \ce{Mg} \left( s \right) + \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{MgO} \left( s \right) \nonumber \]

    Багато сполук реагують з киснем, а також, часто в дуже екзотермічних процесах, які зазвичай називають реакціями горіння. Наприклад, при згорянні метану утворюється вуглекислий газ і вода.

    \[\ce{CH_4} \left( g \right) + 2 \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{CO_2} \left( g \right) + 2 \ce{H_2O} \left( g \right) \nonumber \]

    Вуглекислий газ - це оксид вуглецю, тоді як вода - оксид водню. Ранні вчені розглядали окислення як процес, при якому речовина реагувала з киснем з отриманням одного або декількох оксидів. У попередніх прикладах відбувається окислення магній і метан.

    Визначення окислення та відновлення були в кінцевому підсумку розширені, включивши подібні типи реакцій, які не обов'язково включають кисень. Кисень більш електронегативний, ніж будь-який елемент, крім фтору. Тому, коли кисень пов'язаний з будь-яким елементом, крім фтору, електрони від іншого атома зміщуються від цього атома і до атома кисню. Окислювально-відновна реакція (іноді скорочено - окислювально-відновна реакція) - це реакція, яка передбачає повне або часткове перенесення електронів від одного реагенту до іншого. Окислення передбачає повну або часткову втрату електронів, тоді як зменшення передбачає повне або часткове посилення електронів.

    Окислювально-відновні реакції вимагають, щоб ми відстежували електрони, призначені кожному атому в хімічній реакції. Як нам це зробити? Ми використовуємо окислювальні числа для відстеження електронів в атомах. Номери окислення присвоюються атомам на основі чотирьох правил. Числа окислення не обов'язково дорівнюють заряду на атомі (хоча іноді вони можуть бути); ми повинні тримати поняття чисел заряду і окислення окремо.

    Призначення чисел окислення

    Число окислення - це позитивне або негативне число, яке присвоюється атому для позначення його ступеня окислення або відновлення. В окисно-відновних процесах рушійною силою хімічних змін є обмін електронами між хімічними видами. Щоб допомогти нам, розроблено низку правил.

    Призначення чисел окислення

    Правила присвоєння окислювальних чисел атомам такі:

    1. Атомам в їх елементарному стані присвоюється число окислення 0.
      Приклади:\(\ce{H_2}\)\(\ce{Br_2}\)\(\ce{Na}\),\(\ce{Be}\),\(\ce{K}\),\(\ce{O_2}\),,\(\ce{P_4}\), всі мають число окислення 0.
    2. Атомам в одноатомних (тобто одноатомних) іонам присвоюється число окислення, рівне їх заряду.
      Приклад: У MgCl 2 магній має число окислення +2, тоді як кожен атом хлору має число окислення −1
    3. У сполуках фтору присвоюється число окислення −1; кисню зазвичай присвоюється число окислення −2 [за винятком пероксидних сполук (де це −1) та в бінарних сполуках з фтором (де він позитивний)]; і водню зазвичай присвоюється число окислення +1 [крім випадків, коли він існує як іон гідриду (H −), в цьому випадку переважає правило 2].
      Приклад: У H 2 O атоми H мають число окислення +1, тоді як атом O має число окислення −2, хоча водню та кисню в цій сполуці не існують як іони.
    4. У сполуках всім іншим атомам присвоюється число окислення так, що сума чисел окислення на всіх атомах у видах дорівнює заряду на вид (який дорівнює нулю, якщо вид нейтральний).
      Приклад: У SO 2. Кожен атом O має число окислення −2; щоб сума чисел окислення дорівнювала заряду на вид (який дорівнює нулю) атому S присвоюється число окислення +4. Чи означає це, що атом сірки має 4+ заряд на ньому? Ні, це означає лише те, що атому S присвоюється число окислення +4 за нашими правилами розподілу електронів між атомами в з'єднанні.
    Примітка

    Окислювальні числа зазвичай пишуться спочатку зі знаком, потім величиною, щоб диференціювати їх від зарядів.

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Призначте числа окислення атомам в кожній речовині.

    1. Сл 2
    2. ГеО 2
    3. CaCl 2
    Рішення
    1. Cl 2 є елементарною формою хлору. Правило 1 стверджує, що кожен атом має число окислення 0.
    2. За правилом 3 кисню в нормі присвоюється число окислення −2. Щоб сума чисел окислення дорівнювала заряду на вид (нуль), атому Ge присвоюється число окислення +4.
    3. Іон Ca 2 + має число окислення +2 за правилом 2. Також згідно з правилом 2 кожному атому хлору присвоюється число окислення −1.
    Вправа\(\PageIndex{1}\): Phosphoric Acid

    Призначте числа окислення атомам в H 3 PO 4.

    Відповідь

    Ч: +1; О: −2; Р: +5

    Реакції окислення та відновлення

    Процеси окислення і відновлення зазвичай розглядаються з точки зору посилення або втрати електронів або збільшення або зменшення числа окислення. Однак багато реакцій в органічній хімії, які передбачають посилення або втрату кисню або водню, також розглядаються як окислювально-відновні реакції.

    Наведена нижче таблиця узагальнює процеси окислення і відновлення.

    \(\PageIndex{1}\)Таблиця Процеси окислення і відновлення.
    Окислення RF Лід Всмоктування
    Повна втрата електронів (іонна реакція) Повне посилення електронів (іонна реакція)
    Збільшення числа окислення Зниження числа окислення
    посилення кисню Втрата кисню
    Втрата водню в молекулярній сполуці Збільшення водню в молекулярній сполуці

    1. Окислення - це повна втрата електронів. Зменшення - це повне посилення електронів

    Щоб зрозуміти реакції передачі електронів, подібні до реакції між металом цинку та іонами водню, хіміки розділяють їх на дві частини: одна частина фокусується на втраті електронів, а одна - на посилення електронів. Втрата електронів називається окисленням. Коефіцієнт посилення електронів називається редукцією.

    Втрачені електрони записуються як продукти; отримані електрони записуються як реагенти. Наприклад, реакція нижче представляє, коли кислота додається до металу цинку.

    \[\ce{Zn (s) + 2H^{+} (aq) → Zn^{2+}(aq) + H2(g)} \nonumber \]

    атоми цинку окислюються до Zn 2 +. Половинна реакція для реакції окислення, опускаючи мітки фаз, виглядає наступним чином:

    \[\ce{Zn → Zn^{2+} + 2e^{−}} \nonumber \]

    Ця половина реакції збалансована за кількістю атомів цинку, а також показує два електрони, необхідні як продукти для обліку того, що атом цинку втрачає два негативні заряди, щоб стати іоном 2+. При половинних реакціях є ще один пункт для збалансування: загальний заряд з кожного боку реакції. Якщо перевірити кожну сторону цієї реакції, то зауважте, що обидві сторони мають нульовий чистий заряд.

    Водень знижується в реакції. Збалансована реакція зменшення половини виглядає наступним чином:

    \[\ce{2H^{+} + 2e^{−} → H2} \nonumber \]

    З кожного боку є два атоми водню, і два електрони, записані як реагенти, служать для нейтралізації заряду 2+ на реагентах іонів водню. Знову ж таки, загальний заряд з обох сторін дорівнює нулю.

    Примітка: «ЛЕО говорить GER»

    LEO позначає Втрата електронів є окислення, тоді як GER розшифровується як отримання електронів є зменшення.

    Зображення лева для представлення LEO Втрата електронів - це окислення
    Малюнок\(\PageIndex{1}\)

    Цей хлопець знає свої окислювально-відновні реакції.

    2. Окислення - це збільшення числа окислення. Зменшення - це зменшення числа окислення.

    Розглянемо реакцію нижче між елементарним залізом і мідним купоросом:

    \[\ce{Fe} + \ce{CuSO_4} \rightarrow \ce{FeSO_4} + \ce{Cu} \nonumber \]

    В ході реакції число окислення\(\ce{Fe}\) збільшується від нуля до\(+2\). Кількість окислення міді зменшується від\(+2\) до\(0\). Цей результат відповідає ряду активності. Залізо вище міді в серії, тому буде більш імовірно утворюватися\(\ce{Fe^{2+}}\) при перетворенні на\(\ce{Cu^{2+}}\) металеву мідь\(\left( \ce{Cu^0} \right)\).

    3. Окислення - це посилення кисню. Зменшення - це втрата кисню.

    Окислення і відновлення також можна визначити з точки зору зміни складу. Початкове значення окислення було «додавання кисню», тому, коли кисень додається до молекули, молекула окислюється. Зворотне вірно для відновлення: якщо молекула втрачає атоми кисню, молекула зменшується. Наприклад, молекула ацетальдегіду (\(CH3CHO\)) приймає атом кисню, щоб стати оцтовою кислотою (\(\ce{CH3COOH}\)).

    \[\ce{2CH3CHO + O2 → 2CH_3COOH} \nonumber \]

    Таким чином відбувається окислення ацетальдегіду.

    4. Окислення - це втрата водню в молекулярній сполуці. Зниження - це посилення водню в молекулярній сполуці.

    Окислення та відновлення можна визначити з точки зору посилення або втрати атомів водню. Якщо молекула додає атоми водню, вона відновлюється. Якщо молекула втрачає атоми водню, молекула окислюється. Наприклад, при перетворенні ацетальдегіду в етанол CH 3 CHO атоми водню додаються до ацетальдегіду, тому ацетальдегід знижується:

    \[\ce{CH3CHO + H2 → CH3CH2OH} \nonumber \]

    Приклад\(\PageIndex{2}\)

    У кожному перетворенні вказуйте, чи відбувається окислення або відновлення.

    1. N 2 → Н 3
    2. СН 3 СН 2 ОХН 3 → СН 3 КОЧ 3
    3. ЧХОО → ЧОХОА
    Рішення
    1. Водень додається до вихідної молекули реагенту, тому відбувається відновлення.
    2. Водень видаляється з вихідної молекули реагенту, тому відбувається окислення.
    3. Кисень додається до вихідної молекули реагенту, тому відбувається окислення.
    Вправа\(\PageIndex{2}\)

    У кожному перетворенні вказуйте, чи відбувається окислення або відновлення.

    1. СН 4 → СО 2 + Н 2 О
    2. НІ 2 → Н 2
    3. СН 2 = СН 2 → СН 3 СН 3
    Відповіді
    1. окислення
    2. скорочення
    3. скорочення
    Приклад\(\PageIndex{3}\):

    Визначте, що окислюється та відновлюється в цій окислювально-відновній реакції.

    \[\ce{2Na + Br2 → 2NaBr} \nonumber \]
    Рішення

    Обидва реагенти є елементарними формами їх атомів, тому атоми Na і Br мають номери окислення 0. В іонному продукті іони Na + мають число окислення +1, тоді як іони Br − мають число окислення −1.

    \[2\underset{0}{Na}+\underset{0}{Br_{2}}\rightarrow 2\underset{+1 -1}{NaBr} \nonumber \]

    Натрій збільшує число окислення з 0 до +1, тому він окислюється; бром зменшує число окислення з 0 до −1, тому його зменшують:

    Приклад\(\PageIndex{3}\)\[\ce{2Na + Br2 → 2NaBr} \nonumber \]

    Оскільки числа окислення змінюються, це окислювально-відновна реакція. Загальна кількість електронів, втрачених натрієм (два, один втрачений від кожного атома Na) отримується бромом (два, один отриманий для кожного атома Br).

    Вправа\(\PageIndex{3}\)

    Визначте, що окислюється та відновлюється в цій окислювально-відновній реакції.

    \[\ce{C + O2 → CO2}\nonumber \]

    Відповідь

    C окислюється від 0 до +4; O відновлюється з 0 до −2.

    Приклад\(\PageIndex{4}\): Gain or Loss of Electrons

    Для кожної половини реакції визначте, чи була втрата або посилення електронів.

    1. 2Н 3 - → Н 2
    2. Автомобіль 6 + → Автомобіль 3 +
    Рішення

    а Коли ми порівнюємо загальні заряди з кожного боку рівняння, ми знаходимо заряд 2 (-3) =-6 зліва, але заряд 0 справа. Це рівняння не є належним чином збалансованим. Щоб збалансувати його, з правого боку необхідно додати шість електронів наступним чином:

    \ [\ ce {2N^ {3-} → N2 + 6е^ {-}}\ номер\]

    Так сталася втрата шести електронів. Тепер рівняння збалансоване не тільки з точки зору елементів, але і за рівнем заряду.

    б. коли ми порівнюємо загальні заряди з кожного боку рівняння, ми знаходимо заряд +6 зліва і заряд +3 справа. Це рівняння не є належним чином збалансованим. Щоб в кінцевому підсумку з числом окислення +3 на правій стороні потрібно додати 3 електрони з лівого боку наступним чином:

    \ [\ ce {Cr^ {6+} + 3e^ {-} → Cr^ {3+}\ номер\]

    Так сталося посилення трьох електронів. Тепер рівняння збалансоване в плані заряду.

    Вправа\(\PageIndex{4}\) Gain or Loss of Electrons

    Для кожної половини реакції визначте, чи була втрата або посилення електронів.

    1. О 2 → 2О 2 -
    2. Cu + → Cu 2 +
    Відповіді

    a. посилення чотирьох електронів

    b. втрата одного електрона

    Приклад\(\PageIndex{5}\): Reducing Silver Ions

    Запишіть та збалансуйте окислювально-відновну реакцію, яка має іони срібла та метал алюмінію як реагенти та іони срібла та алюмінію як продукти.

    Рішення

    Почнемо з використання символів елементів і іонів для представлення реакції:

    \[\ce{Ag^{+} + Al → Ag + Al^{3+}} \nonumber \]

    Рівняння виглядає збалансованим, як написано. Однак, коли ми порівнюємо загальні заряди з кожного боку рівняння, ми знаходимо заряд +1 зліва, але заряд +3 праворуч. Це рівняння не є належним чином збалансованим. Щоб збалансувати його, напишемо дві половинні реакції. Іони срібла відновлюються, і для зміни Ag + на Ag потрібно один електрон:

    \[\ce{Ag^{+} + e^{−} → Ag} \nonumber \]

    Алюміній окислюється, втрачаючи три електрони для зміни з Al на Al 3 +:

    \[\ce{Al → Al^{3+} + 3e^{−}} \nonumber \]

    Щоб об'єднати ці дві половинні реакції і скасувати всі електрони, нам потрібно помножити реакцію відновлення срібла на 3:

    Приклад реакції зниження\(\PageIndex{5}\) срібла

    Тепер рівняння збалансоване не тільки з точки зору елементів, але і за рівнем заряду.

    Вправа\(\PageIndex{5}\)

    Запишіть та збалансуйте окислювально-відновну реакцію, яка має іони кальцію та метал калію як реагенти, а також іони металів кальцію та калію як продукти.

    Резюме

    • Перераховані правила визначення окислювальних чисел.
    • Наведено приклади визначення окислювальних чисел.
    • Хімічні реакції, в яких переносяться електрони, називаються окислювально-відновними, або окислювально-відновними, реакціями.
    • Окислення визначається з точки зору втрати електронів, посилення кисню, втрати водню або збільшення числа окислення.
    • Зменшення визначається з точки зору посилення електронів, втрати кисню, посилення водню або зменшення числа окислення.
    • Окислення і відновлення завжди відбуваються разом, хоча їх можна записати як окремі хімічні рівняння.

    Дописувачі та атрибуція