Какой металл проявляет в реакциях только окислительные свойства
Многообразие классификаций химических реакций по различным признакам (направлению, числу и составу реагирующих и образующих веществ, использованию катализатора, тепловому эффекту) можно дополнить ещё одним признаком. Этот признак — изменение степени окисления атомов химических элементов, образующих реагирующие вещества. Например, в реакции
степени окисления атомов химических элементов после реакции не изменились. А вот в другой реакции — взаимодействие соляной кислоты с цинком
атомы двух элементов, водорода и цинка, изменили свои степени окисления: водород с +1 на 0, а цинк — с 0 на +2. Следовательно, в этой реакции каждый атом водорода получил по одному электрону
а каждый атом цинка отдал два электрона
Химические реакции, в результате которых происходит изменение степеней окисления атомов химических элементов или ионов, образующих реагирующие вещества, называют окислительно-восстановительными реакциями.
Под восстановлением понимают процесс присоединения электронов атомами, ионами или молекулами. Степень окисления при этом понижается.
Например, атомы неметаллов могут присоединять электроны, превращаясь при этом в отрицательные ионы, т. е. восстанавливаясь (Далее мы будем указывать степень окисления, а не заряды ионов, так как их численные значения совпадают.):
Электроны могут присоединяться и к положительным ионам, которые при этом превращаются в атомы:
Принимать электроны могут и положительные ионы, у которых при этом степень окисления понижается:
Атомы, ионы или молекулы, принимающие электроны, называют окислителями.
Под окислением понимают процесс отдачи электронов атомами, ионами или молекулами. Например, атомы металлов, теряя электроны, превращаются в положительные ионы, т. е. окисляются:
Отдавать электроны могут отрицательные ионы:
Терять электроны могут и некоторые положительные ионы с низшими степенями окисления:
Можно отметить, что при этом степень окисления повышается.
Атомы, ионы или молекулы, отдающие электроны, называют восстановителями.
Окисление всегда сопровождается восстановлением и наоборот, т. е. окислительно-восстановительные реакции представляют собой единство двух противоположных процессов — окисления и восстановления. Схема взаимосвязи изменения степеней окисления с процессами окисления и восстановления может быть представлена так, как это изображено на схеме 2.
Схема 2
Процессы окисления и восстановления
В окислительно-восстановительных реакциях число электронов, отдаваемых восстановителем, равно числу электронов, принимаемых окислителем, т. е. соблюдается электронный баланс. Метод электронного баланса применяют для записей электронных уравнений процессов окисления и восстановления.
Рис. 146.
Схема окислительно-восстановительной реакции
Например, реакцию алюминия с хлоридом меди (II) описывают схемой (рис. 146):
а электронные уравнения будут иметь вид:
Молекулярное уравнение этой реакции написать уже несложно, так как коэффициенты для него будут взяты из электронных уравнений:
3CuCl2 + 2Аl = 2АlСl3 + ЗСu.
Покажем, как с помощью метода электронного баланса можно расставить коэффициенты в уравнении сложной окислительно-восстановительной реакции. Как вы помните, первое правило ряда напряжений металлов о взаимодействии металлов с растворами кислот не распространялось на серную кислоту концентрированную и азотную кислоту любой концентрации.
В отличие от соляной кислоты, в которой окислителем атомов металла были катионы водорода, в концентрированной серной и азотной кислотах окислителями являются атомы серы и азота из сульфат-ионов и нитрат-ионов. Поэтому концентрированная H2SO4 и HNO3 любой концентрации взаимодействуют с металлами, стоящими в ряду напряжений как до водорода, так и после него, восстанавливаясь при этом до SO2, NO и т. д. Например, при взаимодействии разбавленной азотной кислоты с медью получается нитрат меди (II), оксид азота (II) и вода. Запишем формулы исходных веществ и продуктов реакции с указанием степеней окисления:
Подчеркнём знаки химических элементов, изменивших свои степени окисления:
Составим электронные уравнения, т. е. отразим процессы отдачи и присоединения электронов:
Запишем коэффициент 3 перед и перед формулой нитрата меди (II), в котором , так как с такими значениями степеней окисления медь встречается по одному разу. Коэффициент 2 запишем только перед формулой вещества с , так как это значение степени окисления для азота в схеме реакции встречается только один раз, а вот перед HNO3 коэффициент 2 не запишем, ибо встречается ещё раз в формуле Cu(NO3)2. Наша запись примет вид:
Теперь уравняем число атомов азота. После реакции оно равно 3 × 2 = 6 из Cu(NO3)2 и ещё 2 атома из 2NO, всего 8.
Поэтому перед HNO3 запишем коэффициент 8:
8HNO3 + ЗСи → 3Cu(NO3)2 + 2NO + Н2O
и уравняем число атомов водорода:
8HNO3 + ЗСu → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4Н2O.
Проверим правильность расстановки коэффициентов, подсчитав число атомов кислорода до и после реакции: до реакции — 24 атома и после реакции — 24 атома. Коэффициенты расставлены правильно, поэтому заменим в уравнении стрелку на знак равенства:
8HNO3 + ЗСu = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4Н2O.
Зная формулу вещества и определив степени окисления атомов химических элементов в нём, нетрудно предсказать, какие свойства будет проявлять каждый элемент и вещество в целом: окислительные или восстановительные. Например, азот в азотной кислоте имеет максимальное значение степени окисления +5, т. е. он «потерял» все электроны, поэтому в азотной кислоте будет проявлять только окислительные свойства. Азот в аммиаке имеет минимальное значение степени окисления -3, т. е. он не сможет принять больше ни одного электрона, и поэтому аммиак будет проявлять только восстановительные свойства.
Другой пример — оксид азота (II) . Азот в этом соединении имеет промежуточное значение степени окисления и поэтому может проявлять как окислительные (например: ), так и восстановительные (например: ) свойства.
Приведём примеры важнейших восстановителей и окислителей.
Восстановители: активные металлы, водород, уголь, оксид углерода (II) СО, сероводород H2S, аммиак NH3 и т. д.
Окислители: кислород, галогены; азотная HN03 и серная H2SO4 кислоты, перманганат калия КМnO2 и др.
Проверьте, как вы поняли материал:
Если у вас остались вопросы, посмотрите видеоурок:
Ключевые слова и словосочетания
- Окислительно-восстановительные реакции.
- Окислитель и восстановитель; окисление и восстановление.
- Метод электронного баланса.
Вопросы и задания
- Какие из реакций, уравнения которых записаны ниже, относят к окислительно-восстановительным?
Для окислительно-восстановительных реакций укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления, составьте электронные уравнения.
- Дайте характеристику реакции синтеза аммиака по всем изученным вами признакам классификации химических реакций.
- Из следующих утверждений выберите истинные:
а) к окислительно-восстановительным будут относиться все реакции ионного обмена;
б) все реакции ионного обмена не будут являться окислительно-восстановительными;
в) все реакции замещения являются окислительно-восстановительными;
г) только некоторые реакции замещения являются окислительно-восстановительными реакциями;
д) к окислительно-восстановительным реакциям относят те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество;
е) все реакции разложения и соединения не являются окислительно-восстановительными. Обоснуйте свою точку зрения, докажите её примерами уравнений реакций.
- Согласны ли вы с утверждением, что HNO3 проявляет только окислительные свойства, a NH3 — только восстановительные? Ответ обоснуйте.
- Какое из веществ — сероводород H2S и серная кислота H2SO4 — проявляет только окислительные или только восстановительные свойства? Почему?
- Обоснуйте тезис, что SO2 может быть и окислителем, и восстановителем.
- Расставьте коэффициенты методом электронного баланса в следующих схемах реакций:
- Назовите окислитель в реакциях взаимодействия цинка с соляной и азотной кислотами. Для последней реакции используйте аналогию взаимодействия азотной кислоты с медью.
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса
Химия
9 класс
В химических реакциях металлы проявляют только восстановительные свойства, т. е. их атомы отдают электроны, образуя в результате положительные ионы. Окислителями при этом могут выступать неметаллы (кислород, галогены, сера и др.), катионы водорода Н+ и катионы других металлов.
С кислородом воздуха легко взаимодействуют щелочные и щёлочноземельные металлы (поэтому их хранят под керосином):
Железо, цинк, медь и другие менее активные металлы энергично окисляются кислородом только при нагревании:
Золото и платиновые металлы не окисляются кислородом воздуха ни при каких условиях.
Как вы уже знаете, металлы образуют с неметаллами бинарные соединения — оксиды, хлориды, сульфиды, фосфиды и т. д., например:
Щелочные и щёлочноземельные металлы легко реагируют с водой, восстанавливая катионы водорода до свободного водорода, и образуют при этом растворимые основания — щёлочи:
Менее активные металлы, например железо, взаимодействуют с водой только в раскалённом виде:
3Fe + 4Н2O = Fe3O4 + 4Н2↑.
При этом, как и при горении железа, получается оксид состава Fe3O4 (железная окалина), который представляет собой смесь двух оксидов FeO • Fe2O3.
По восстановительной способности, как вы уже знаете, металлы располагают в ряд, который называют электрохимическим рядом напряжений:
К, Са, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H2), Cu, Hg, Ag, Au.
В этот ряд помещён и водород, который, как и металлы, способен отдавать электроны, образуя при этом положительно заряженные ионы Н+.
Как вы, очевидно, помните из курса химии 8 класса, из положения металлов в ряду напряжений вытекают два правила, характеризующие химические свойства металлов. Повторим их.
1. Металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, вытесняют его из растворов кислот (рис. 35), а стоящие правее, как правило, не вытесняют водород из растворов кислот:
Рис. 35. Взаимодействие цинка с соляной кислотой
Известно, что золото, ртуть и серебро не реагируют с соляной кислотой. Напомним, что это правило имеет ряд поправок:
- правило соблюдается, если в реакции металла с кислотой образуется растворимая соль;
- концентрированная серная кислота и азотная кислота любой концентрации реагирует с металлами по-особому, при этом водород не образуется;
- на щелочные металлы правило не распространяется, так как они легко взаимодействуют с водой (а указанное правило относится к реакциям водных растворов кислот с металлами).
2. Каждый металл вытесняет из растворов солей другие металлы, находящиеся правее него в ряду напряжений, и сам может быть вытеснен металлами, расположенными левее, например (рис. 36):
Рис. 36.
Взаимодействие меди с раствором нитрата серебра
Это правило также имеет поправки, аналогичные таковым к первому правилу, а именно — правило соблюдается при условии образования растворимой соли; правило не распространяется на щелочные металлы.
Лабораторный опыт № 12
Взаимодействие растворов кислот и солей с металлами
Налейте в две пробирки по 2 мл раствора сульфата меди (II), поместите в одну кусочек железа, в другую — гранулу цинка. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.
Задания для самостоятельной работы
- Восстановительные свойства металлов.
- Взаимодействие металлов с кислородом и другими неметаллами.
- Электрохимический ряд напряжений.
- Правила применения электрохимического ряда напряжений при определении возможности взаимодействия металлов с растворами кислот и солей.
- Поправки к правилам применения электрохимического ряда напряжений.
Вопросы и задания
- Определите число электронов, которое отдают три атома железа молекуле воды в реакции образования железной окалины.
- Вычислите объём воздуха (н. у.), который потребуется для сжигания 36 г магния. (Напоминаем, что объёмная доля кислорода в воздухе равна 0,21.)
- Вычислите объём водорода (н. у.), который может быть получен при растворении в воде 120 мг кальция, если выход газа составляет 80% от теоретически возможного.
- Почему щелочные и щёлочноземельные металлы хранят под керосином? Почему литий, в отличие от натрия и калия, хранят в вазелине?
- Методом электронного баланса определите коэффициенты в уравнении реакции, схема которого:
Какой ион проявляет в этой реакции окислительные свойства?
- Можно ли получить водород при взаимодействии свинца с раствором серной кислоты?
- Методом электронного баланса определите коэффициенты в уравнении реакции, схема которой:
Какое вещество проявляет в этой реакции восстановительные свойства?
Кремний – твёрдый неметалл, входящий в состав горных пород. При обычных условиях инертен, но при нагревании проявляет окислительные и восстановительные свойства. Химические свойства кремния использует силикатная промышленность для изготовления стекла, зеркал, электроники, строительного материала.
Общее описание элемента
Кремний расположен в четвёртой группе и третьем периоде таблицы Менделеева. Ядро атома кремния имеет положительный заряд +14. Вокруг ядра движется 14 отрицательно заряженных электронов.
Атом может переходить в возбуждённое состояние за счёт свободного d-подуровня. Поэтому элемент проявляет две положительные степени окисления (+2 и +4) и одну отрицательную (-4). Электронная конфигурация – 1s22s22p63s23p2.
Рис. 1. Строение атома кремния.
Кремний – хрупкий полупроводник с высокими температурами правления и кипения. Относительно лёгкий неметалл: плотность составляет 2,33 г/см3.
В чистом виде кремний не встречается. Входит в состав песка, кварца, агата, аметиста и других пород.
Рис. 2. Агат.
Реакции с неметаллами
При взаимодействии с неметаллами кремний проявляет восстановительные свойства – отдаёт электроны. Реакции возможны только при сильном нагревании. При нормальных условиях кремний реагирует только с фтором. Реакции с основными неметаллами приведены в таблице.
Элемент | Описание | Реакция |
Фтор | При обычных условиях | Si + 2F2 → SiF4 |
Кислород | Взаимодействует при 600°C с образованием диоксида (песка) | Si + O2 → SiO2 |
Хлор | Реагирует при 400°C | Si + 2Cl2 → SiCl4 |
Углерод | Реагирует при 2000°C с образованием карборунда | Si + C → SiC |
Азот | Протекает при 1000°C | 3Si + 2N2 → Si3N4 |
Сера | Реагирует при 1000°C | Si + 2S → SiS2 |
Бор | Взаимодействует при 2000°C | Si + 3B → B3Si |
Гидрид кремния – силан (SiH4) – можно получить путём разложения силицидов кислотой. Например, Mg2Si + 2H2SO4 → SiH4 + 2MgSO4.
Взаимодействие с металлами
Окислительные свойства кремний проявляет только в реакциях с металлами. При сплавлении образуются соли – силициды:
- Si + 2Mg → Mg2Si;
- Si + 2Ca → Ca2Si;
- Si + Na → NaSi;
- 2Si + Fe → FeSi2.
Силициды используются в промышленности для производства сплавов и материалов. В качестве сверхпроводника используется силицид ванадия (V3Si), полупроводника – силицид рения (ReSi).
Реакции со сложными веществами
Помимо простых веществ кремний реагирует со сложными соединениями – кислотами и щелочами. Основные реакции описаны в таблице.
Реакция | Описание | Уравнение |
С галогеноводородами | Реагирует с плавиковой кислотой при обычных условиях, с соляной кислотой – при 300°С, с бромоводородом – при 500°С | – Si + 4HF → SiF4 + 2H2; – Si + 4HCl → SiCl4 + 2H2; – Si + 4HBr → SiBr4 + 2H2 |
С кислотами | Является устойчивым по отношению к кислотам, покрываясь оксидной плёнкой. Реакция идёт только со смесью азотной и плавиковой кислот | 3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O |
Со щелочами | В водных растворах растворяется, образуя силикаты и водород | Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2 |
При 1200°C кремний реагирует с диоксидом, образуя монооксид: Si + SiO2 → SiO.
Рис. 3. Применение кремния.
Что мы узнали?
Кремний – хрупкий неметалл, взаимодействующий с металлами, неметаллами и сложными веществами. В реакциях с металлами проявляет свойства окислителя, с неметаллами – восстановителя. Реагирует при нормальных условиях только с фтором, плавиковой кислотой (в том числе вместе с азотной кислотой), со щелочами. Остальные реакции протекают при повышенных температурах.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.5. Всего получено оценок: 108.
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.