Какие элементы проявляют только окислительные свойства

Окислительно-восстановительные свойства отдельных атомов, а также ионов являются важным вопросом современной химии. Данный материал помогает объяснять активность элементов и веществ, проводить детальное сравнение химических свойств у разных атомов.

Что такое окислитель

Многие задачи по химии, включая тестовые вопросы единого государственного экзамена в 11 классе, и ОГЭ в 9 классе, связаны с данным понятием. Окислителем считают атомы либо ионы, которые в процессе химического взаимодействия принимают электроны от другого иона либо атома. Если анализировать окислительные свойства атомов, нужна периодическая система Менделеева. В периодах, располагающихся в таблице слева направо, окислительная способность атомов возрастает, то есть меняется аналогично неметаллическим свойствам. В основных подгруппах подобный параметр уменьшается сверху вниз. Среди самых сильных простых веществ, обладающих окислительной способностью, лидирует фтор. Такой термин, как «электроотрицательность», то есть возможность атома принимать в случае химического взаимодействия электроны, можно считать синонимом окислительных свойств. Среди сложных веществ, которые состоят из двух и больше химических элементов, яркими окислителями можно считать: перманганат калия, хлорат калия, озон.

Что такое восстановитель

Восстановительные свойства атомов характерны для простых веществ, проявляющих металлические свойства. В таблице Менделеева в периодах металлические свойства слева направо ослабевают, а в основных подгруппах (вертикально) они усиливаются. Суть восстановления в отдаче электронов, которые располагаются на внешнем энергетическом уровне. Чем большее количество электронных оболочек (уровней), тем легче отдать во время химического взаимодействия «лишние» электроны.

Отличными восстановительными свойствами обладают активные (щелочные, щелочно-земельные) металлы. Кроме того, веществ, проявляющих подобные параметры, выделим оксид серы (6), угарный газ. Для того чтобы приобрести максимальную степень окисления, данные соединения вынуждены проявлять восстановительные свойства.

Процесс окисления

Если во время химического взаимодействия атом либо ион отдает электроны иному атому (иону), идет речь о процессе окисления. Для анализа того, как меняются восстановительные свойства и окислительная способность, потребуется таблица элементов Менделеева, а также знание современных законов физики.

Процесс восстановления

Восстановительные процессы предполагают принятие ионами либо атомами электронов от других атомов (ионов) во время непосредственного химического взаимодействия. Отличными восстановителями являются нитриты, сульфиты щелочных металлов. Восстановительные свойства в системе элементов меняются аналогично металлическим свойствам простых веществ.

Алгоритм разбора ОВР

Для того чтобы в готовой химической реакции учащийся мог расставить коэффициенты, необходимо воспользоваться специальным алгоритмом. Окислительно-восстановительные свойства помогают решать и разнообразные расчетные задачи в аналитической, органической, общей химии. Предлагаем порядок разбора любой реакции:

1. Сначала важно определить у каждого имеющегося элемента степень окисления, используя правила.
2. Далее определяют те атомы либо ионы, которые поменяли свою степень окисления, будут участвовать в реакции.
3. Знаками «минус» и «плюс» указывают число отданных и принятых в ходе химической реакции свободных электронов.
4. Далее между числом всех электронов определяется минимальное общее кратное, то есть целое число, которое без остатка делится на принятые и отданные электроны.
5. Затем его делят на электроны, участвовавшие в химической реакции.
6. Далее определяем, какие именно ионы либо атомы восстановительными свойствами обладают, а также определяют окислители.
7. На завершающем этапе ставят коэффициенты в уравнении.

Применяя способ электронного баланса, расставим коэффициенты в данной схеме реакции:

NaMnO4 + сероводород + серная кислота= S + Mn SO4 +…+…

Алгоритм решения поставленной задачи

Выясним, какие именно должны после взаимодействия образоваться вещества. Так как в реакции уже есть окислитель (им будет марганец) и определен восстановитель (им будет сера), образуются вещества, в которых уже не меняются степени окисления. Так как основная реакция протекала между солью и сильной кислородсодержащей кислотой, то одним из конечных веществ станет вода, а вторым — соль натрия, точнее, сульфат натрия.

Составим теперь схему отдачи и принятия электронов:

— Mn+7 берет 5 e= Mn+2.

Вторая часть схемы:

— S-2 отдает2e= S0

Ставим в исходную реакцию коэффициенты, не забывая при этом суммировать все атомы серы в частях уравнения.

2NaMnO4 + 5H2S + 3H2SO4 = 5S + 2MnSO4 + 8H2O + Na2SO4.

Разбор ОВР с участием перекиси водорода

Применяя алгоритм разбора ОВР, можно составить уравнение протекающей реакции:

перекись водорода + серная кислота + пермагнанат калия = Mn SO4 + кислород + …+…

Степени окисления изменили ион кислорода (в перекиси водорода) и катион марганца в перманганате калия. То есть восстановитель, а также окислитель у нас присутствуют.

Определим, что за вещества еще могут получиться после взаимодействия. Одно из них будет водой, что вполне очевидно, представлена реакция между кислотой и солью. Калий не образовал нового вещества, вторым продуктом станет соль калия, а именно сульфат, так как реакция шла с серной кислотой.

Схема:

2O – отдает 2 электрона и превращается в O20 5

Mn+7 принимает 5 электронов и становится ионом Mn+2 2

Поставим коэффициенты.

5H2O2 + 3H2SO4 + 2KMnO4 = 5O2 + 2Mn SO4 + 8H2O + K2SO4

Пример разбора ОВР с участием хромата калия

Используя способ электронного баланса, составим уравнение с коэффициентами:

FeCl2 + соляная кислота + хромат калия = FeCl3+ CrCl3 + …+…

Степени окисления поменяли железо (в хлориде железа II) и ион хрома в бихромате калия.

Теперь постараемся выяснить, какие еще вещества образуются. Одно может быть солью. Поскольку калий не образовал никакого соединения, следовательно, вторым продуктом будет соль калия, точнее, хлорид, ведь реакция проходила с соляной кислотой.

Составим схему:

Fe+2 отдает e =Fe+3 6 восстановитель,

2Cr+6 принимает 6 e = 2Cr +3 1 окислитель.

Поставим коэффициенты в начальную реакцию:

6K2Cr2O7 + FeCl2 + 14HCl = 7H2O + 6FeCl3 + 2CrCl3 + 2KCl

Пример разбора ОВР с участием иодида калия

Вооружившись правилами, составим уравнение:

перманганат калия + серная кислота + иодид калия…сульфат марганца + йод +…+…

Степени окисления изменили марганец и йод. То есть восстановитель и окислитель присутствуют.

Теперь выясним,что в итоге у нас образуется. Соединение будет у калия, то есть получим сульфат калия.

Восстановительные процессы протекают у ионов йода.

Составим схему передачи электронов:

— Mn+7 принимает 5 e = Mn+2 2 является окислителем,

— 2I- отдает2 e = I20 5 является восстановителем.

Расставляем коэффициенты в начальную реакцию, не забываем при этом суммировать все атомы серы в данном уравнении.

210KI + KMnO4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H2O

Пример разбора ОВР с участием сульфита натрия

Используя классический метод, составим для схемы уравнение:

— серная кислота + KMnO4 + сульфит натрия… сульфат натрия + сульфат марганца +…+…

После взаимодействия получим соль натрия, воду.

Составим схему:

— Mn+7 принимает 5 e= Mn+2 2,

— S+4 отдает 2 e = S+6 5.

Расставляем коэффициенты в рассматриваемую реакцию, не забываем складывать атомы серы при расстановке коэффициентов.

3H2SO4 + 2KMnO4 + 5Na2SO3 = K2SO4 + 2MnSO4 + 5Na2SO4 + 3H2O.

Пример разбора ОВР с участием азота

Выполним следующее задание. Пользуясь алгоритмом, составим полное уравнение реакции:

— нитрат марганца +азотная кислота+PbO2=HMnO4+Pb(NO3) 2+

Проанализируем, какое вещество еще образуется. Так как реакция проходила между сильным окислителем и солью, значит, веществом будет вода.

Покажем изменение числа электронов:

— Mn+2 отдает 5 e = Mn+7 2 проявляет свойства восстановителя,

— Pb+4 принимает 2 e = Pb+2 5 окислителем.

3. Расставляем коэффициенты в исходную реакцию, обязательно складываем весь азот, имеющийся в левой части исходного уравнения:

— 2Mn(NO3)2 + 6HNO3 + 5PbO2 = 2HMnO4 + 5Pb(NO3)2 + 2H2O.

В данной реакции не проявляются восстановительные свойства азота.

Второй образец окислительно-восстановительной реакции с азотом:

Zn + серная кислота + HNO3= ZnSO4 + NO+…

— Zn0 отдает 2 e = Zn+2 3 будет восстановителем,

N+5принимает 3 e = N+2 2 является окислителем.

Расставляем коэффициенты в заданную реакцию:

3Zn + 3H2SO4 + 2HNO3 = 3ZnSO4 + 2NO + 4H2O.

Значимость окислительно-восстановительных реакций

Самые известные восстановительные реакции — фотосинтез, характерный для растений. Как изменяются восстановительные свойства? Процесс происходит в биосфере, приводит к повышению энергии с помощью внешнего источника. Именно эту энергию и использует для своих нужд человечество. Среди примеров окислительных и восстановительных реакций, связанных с химическими элементами, особое значение имеют превращения соединений азота, углерода, кислорода. Благодаря фотосинтезу земная атмосфера имеет такой состав, который необходим для развития живых организмов. Благодаря фотосинтезу не увеличивается количество углекислого газа в воздушной оболочке, поверхность Земли не перегревается. Растение не только развивается с помощью окислительно-восстановительной реакции, но и образует такие нужные для человека вещества, как кислород, глюкоза. Без данной химической реакции невозможен полноценный круговорот веществ в природе, а также существование органической жизни.

Практическое применение ОВР

Для того чтобы сохранить поверхность металла, необходимо знать, что восстановительными свойствами обладают активные металлы, поэтому можно покрывать поверхность слоем более активного элемента, замедляя при этом процесс химической коррозии. Благодаря наличию окислительно-восстановительных свойств осуществляется очистка и дезинфекция питьевой воды. Ни одну задачу нельзя решить, не расставив правильно в уравнении коэффициенты. Для того чтобы избежать ошибок, важно иметь представление обо всех окислительно-восстановительных параметрах.

Защита от химической коррозии

Особую проблему для жизни и деятельности человека представляет коррозия. В результате данного химического превращения происходит разрушение металла, теряют свои эксплуатационные характеристики детали автомобиля, станков. Для того чтобы исправить подобную проблему, используется протекторная защита, покрытие металла слоем лака либо краски, применение антикоррозионных сплавов. Например, железная поверхность покрывается слоем активного металла — алюминия.

Заключение

Разнообразные восстановительные реакции происходят и в организме человека, обеспечивают нормальную работу пищеварительной системы. Такие основные процессы жизнедеятельности, как брожение, гниение, дыхание, также связаны с восстановительными свойствами. Обладают подобными возможностями все живые существа на нашей планете. Без реакций с отдачей и принятием электронов невозможна добыча полезных ископаемых, промышленное производство аммиака, щелочей, кислот. В аналитической химии все методы объемного анализа основаны именно на окислительно-восстановительных процессах. Борьба с таким неприятным явлением, как химическая коррозия, также основывается на знании этих процессов.

Химические элементы-неметаллы
Вы, очевидно, помните, что самой первой научной классификацией химических элементов было деление их на металлы и неметаллы. Эта классификация не потеряла своей значимости и в настоящее время.
Неметаллы — это химические элементы, для атомов которых характерна способность принимать электроны до завершения внешнего слоя благодаря наличию, как правило, на внешнем электронном слое четырех и более электронов и малому радиусу атомов по сравнению с атомами металлов.
Это определение оставляет в стороне элементы VIII группы главной подгруппы — инертные или благородные газы, атомы которых имеют завершенный внешний электронный слой. Электронная конфигурация атомов этих элементов такова, что их нельзя отнести ни к металлам, ни к неметаллам. Они являются теми объектами, которые в естественной системе четко разделяют элементы на металлы и неметаллы, занимая между ними пограничное положение. Инертные или благородные газы («благородство» выражается в инертности) иногда относят к неметаллам, но чисто формально, по физическим признакам. Эти вещества сохраняют газообразное состояние вплоть до очень низких температур.

Инертность в химическом отношении у этих элементов относительна. Для ксенона и криптона известны соединения с фтором и кислородом. Несомненно, в образовании этих соединений инертные газы выступали в роли восстановителей.

Из определения неметаллов следует, что для их атомов характерны высокие значения электроотрнцательности. Оиа изменяется в пределах от 2 до 4. Неметаллы — это элементы главных подгрупп, преимущественно р элементы, исключение составляет водород — s-элемент.
Все элементы-неметаллы (кроме водорода) занимают в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева верхний правый угол, образуя треугольник, вершиной которого является фтор.

Однако следует особо остановиться на двойственном положении водорода в Периодической системе: в I и VII группах главных подгрупп. Это не случайно. С одной стороны, атом водорода, подобно атомам щелочных металлов, имеет на внешнем (и единственном для него) электронном слое один электрон (электронная конфигурация 1s1), который он способен отдавать, проявляя свойства восстановителя.
В большинстве своих соединений водород, как и щелочные металлы, проявляет степень окисления +1, Но отдача электрона атомом водорода происходит труднее, чем у атомов щелочных металлов. С другой стороны, атому водорода, как и атомам галогенов, для завершения внешнего электронного слоя недостает одного электрона, поэтому атом водорода может принимать один электрон, проявляя свойства окислителя и характерную для галогена степень окисления -1 в гидридах — соединениях с металлами, подобных соединениям металлов с галогенами — галогенидам. Но присоединение одного электрона к атому водорода происходит труднее, чем у галогенов.

При обычных условиях водород Н2 — газ. Его молекула, подобно галогенам, двухатомна.

У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение электроотрицательности, которая закономерно изменяется в периодах и подгруппах (рис. 47).

Фтор — самый сильный окислитель, его атомы в химических реакциях не способны отдавать электроны, то есть проявлять восстановительные свойства.

Конфигурация внешнего электронного слоя

Другие неметаллы могут проявлять восстановительные свойства, хотя и в значительно более слабой степени по сравнению с металлами; в периодах и подгруппах их восстановительная способность изменяется в обратном порядке по сравнению с окислительной.

Задача 619. 
На основе электронного строения атомов указать, могут ли быть окислителями: атомы натрия, катионы натрия, кислород в степени окисленности -2, йод в степени окисленности 0, фторид-ионы, катионы водорода, нитрит-ионы и, гидрид-ионы.
Решение:
Вещества, содержащие атомы элементов, которые уменьшают свою степень окисленности, называются окислителями.

Атомы натрия Na содержат по одному электрону на внешней электронной оболочке, поэтому они могут только отдавать электроны, т.е. натрий – восстановитель.

В катионе натрия   атом натрия имеет степень окисленности +1, т.е. он может уменьшать свою степень окисленности, проявляя свойства окислителя.

Кислород в степени окисленности -2 может увеличивать свою степень окисленности, проявляя свойства восстановителя.

Иод в степени окисленности 0 может, как понижать, так и повышать свою степень окисленности, т.е. может быть окислителем.

Атом фтора в фторид-ионе    имеет степень окисленности -1, поэтому может увеличивать свою степень окисленности, проявляя свойства окислителя.

Атомы водорода в катионах водорода   находятся в степени окисленности +1, т.е. могут уменьшать свою степень окисленности, проявляя свойства окислителя.

В нитрит-ионе   атомы азота находятся в своей промежуточной  степени окисленности +4, поэтому могут как уменьшать, так и увеличивать степень окисленности, проявляя свойства и восстановителя, и окислителя.

Атомы водорода в гидрид-ионе   находятся в своей наименьшей степени окисленности, значит, они могут увеличивать свою степень окисленности, проявляя свойства окислителя.

Задача 620.
Какие из перечисленных ионов могут служить восстановителями, а какие не могут и почему:  Cu2+,  Sn2+,  Cl-,  VO3-,  S2-,  ,Fe2+  WO42-,  IO4-,  Al3+,  Hg2+,  Hg22+?
Решение:
Окислители – частицы, которые способны понижать степень окисленности элемента.

В ионе Cu2+ атом меди находится в высшей степени окисленности, поэтому может только понижать свою степень окисленности, т.е. проявлять свойства окислителя.

В ионе Sn2+ атомы олова находятся в промежуточной степени окисленности, поэтому олово в данном ионе может, как понижать, так и повышать свою степень окисленности, проявляя свойства или окислителя, или восстановителя.

Хлор в ионе Cl- имеет самую низшую степень окисленности, поэтому может только повышать свою степень окисленности, проявляя свойства восстановителя.

Атом ванадия в ионе VO3- находится в высшей степени окисленности, поэтому может только понижать свою степень окисленности, проявляя свойства окислителя.

Сера в ионе S2+ находится в своей низшей степени окисленности, поэтому может только повышать свою степень окисленности, проявляя свойства восстановителя.

Атом железа в ионе Fe2+ находится в промежуточной степени окисленности, поэтому может, как повышать, так и понижать свою степень окисленности, т. е. проявлять свойства или окислителя, или восстановителя.

Атом вольфрама в ионе WO42- находится в своей высшей степени окисленности (+6), поэтому может только понижать свою степень окисленности, проявляя свойства окислителя.

Иод в ионе IO3- находится в своей высшей степени окисленности (+7), поэтому может только понижать свою степень окисленности, проявляя свойства окислителя.

Алюминий в ионе Al3+ находится в высшей степени окисленности, поэтому может только понижать свою степень окисленности, проявляя свойства окислителя.

Ртуть в ионе Hg2+ находится в своей высшей степени окисленности, поэтому может только понижать степень окисленности, проявляя свойства окислителя.

Ртуть в ионе Hg22+ находится в промежуточной степени окисленности (+1), поэтому может, как понижать, так и повышать свою степень окисленности, проявляя свойства или окислителя, или восстановителя.

Задача 621.
Какие из перечисленных веществ и за счет, каких элементов проявляют обычно окислительные свойства, и какие — восстановительные? Указать те из них, которые обладают окислительно-восстановительной двойственностью:  H2S,  SO2,  CO,  Zn,  F2,  NaNO2,  KMnO4,  HOCl,  H3SbO3.
Решение:
а) В H2S сера находится в низшей степени окисления (-2), поэтому может только увеличивать свою степень окисления, проявляя свойства восстановителя.

б) В SO2 сера находится в промежуточной степени окисления (+4), поэтому может, как уменьшать, так и увеличивать свою степень окисления, проявляя свойства или окислителя, или восстановителя.

в) В СО атом углерода находится в промежуточной степени окисления (+2), поэтому может, как уменьшать, так и увеличивать свою степень окисления, проявляя свойства или окислителя, или восстановителя.

г) В Zn атом находится в своей низшей степени окисления (0), поэтому может только увеличивать свою степень окисления, проявляя свойства восстановителя.

д) В молекуле F2 атом фтора имеет степень окисления равную 0, а также, обладая самой высокой степенью окисления среди всех элементов, может только присоединять недостающий до полного завершения внешнего электронного слоя один электрон, проявляя свойства окислителя.

е) В NaNO2 атом азота находится в промежуточной степени окисления равной +4, поэтому может, как уменьшать, так и увеличивать свою степень окисления, проявляя свойства или окислителя, или восстановителя.

ж) В KMnO4 находится в высшей степени окисления (+7), поэтому может только уменьшать свою степень окисления, проявляя свойства окислителя.

з) В НOCl атом хлора находится в степени окисления равной +1, поэтому может как уменьшать, так и увеличивать свою степень окисления, проявляя свойства или окислителя, или восстановителя.

к) В H3SbO3 атом сурьмы находится в промежуточной степени окисления (+3), поэтому может, как уменьшать, так и увеличивать свою степень окисления, проявляя свойства или окислителя, или восстановителя.