Теоретические пояснения. Реакции, протекание которых связано со смещением или полным переходом электронов от одних атомов или ионов к другим

Реакции, протекание которых связано со смещением или полным переходом электронов от одних атомов или ионов к другим, называются окислительно-восстановительными. Число электронов, смещенных от атома (иона) данного элемента к атому (иону) данного элемента в соединении, называют степенью окисления. Степень окисления может быть положительной (электроны смещены от атома или иона) и отрицательной (электроны смещены к атому или иону).

Процесс отдачи электронов, т.е. повышения степени окисления элемента, называют окислением, а вещества отдающие электроны, восстановителями. К типичным восстановителям относятся простые вещества, атомы которых характеризуются невысокой электроотрицательностью (металлы, водород, углерод), некоторые анионы (CI^-, S^2-, SO₃^2- и др.), катионы, у которых степень окисления может возрастать (Fe²⁺, Sn²⁺ и др.), некоторые соединения углерода (углеводороды, оксид углерода), азота (азотоводороды), бора (бороводороды) и др.

Процесс присоединения электронов, т.е. понижение степени окисления, называют восстановлением, а вещества, принимающие электроны, называют окислителями. К окислителям относятся простые вещества, атомы которых характеризуются высокой электроотрицательностью (элементы VI и VII групп главных подгрупп), катионы с высокой степенью окисления (Pb⁺⁴, Cr⁺⁶, Ge⁺⁴), анионы, в которых электроположительный элемент имеет высокую степень окисления (NO₃^-, Cr₂O₇^2-, MnO₄ ^- и др.), высшие оксиды, а также пероксиды.

Окислительно-восстановительные реакции – это одновременно протекающие процессы окисления и восстановления. Реакции, в которых окислители и восстановители представляют собой разные вещества, называют межмолекулярными. Если окислителями и восстановителями служат атомы или ионы одной и той же молекулы, то такие реакции называют внутримолекулярными.

Направление окислительно-восстановительных реакций определяется вторым законом термодинамики. Если процесс протекает при изобарно-изотермических условиях, то прямая реакция возможна при условии, что энергия Гиббса ее ниже нуля: .

Окислительно-восстановительную способность вещества определяет окислительно-восстановительный потенциал реакции (редокс-потенциал) окислительная способность веществ тем выше, чем больше положительное значение окислительно-восстановительного потенциала реакции.

В общем виде обратимую реакцию окисления-восстановления можно записать уравнением

где Ox – окисленная форма веществ; Red – восстановленная форма веществ. Уравнение окислительно-восстановительного потенциала () для этой реакции имеет вид

где – стандартный окислительно-восстановительный потенциал;

, – активности соответственно окисленной и восстановленной форм веществ.

В случае, если в окислительно-восстановительных реакциях участвуют ионы водорода или гидроксида, потенциалы этих реакций зависят от pH, например, для реакции

NO₃^- + 3H⁺ + 2e^- = HNO₂ + H₂O