Какое из веществ проявляет только окислительные свойства

Окислительно-восстановительные реакции могут проходить только при условии, что исходные компоненты содержат атомы, молекулы или ионы, обладающие противоположными способностями принимать или отдавать электроны.

5KCl+5O3+6P0 = 5KCl-1+3P2+5O5

В приведенной реакции хлор и фосфор изменяют свои степени окисления:

• P0-5e- → P+5, фосфор (P0) является восстановителем, окисляясь до P+5 (степень окисления фосфора повышается на 5 единиц от 0 до +5).
• Cl+5+6e- → Cl-1, хлор (Cl+5) является окислителем, восстанавливаясь до Cl-1 (степень окисления хлора понижается на 6 единиц – от +5 до -1).

В периодической таблице Менделеева четко прослеживается закономерность изменения окислительно-восстановительных свойств элементов:

• В периодах с увеличением порядкового номера элемента (слева-направо) нарастают окислительные свойства и убывают восстановительные – натрий самый сильный восстановитель в третьем периоде, а хлор – самый сильный окислитель.
• В главных подгруппах, в пределах одной главной подгруппы с повышением порядкового номера (по направлению сверху-вниз) нарастают восстановительные свойства элементов и убывают окислительные – в VIIа группе фтор является сильным окислителем, а астат в некоторых соединениях проявляет восстановительные свойства.

На рисунке ниже показана примерная принадлежность элементов к восстановителям (голубой цвет) и окислителям (красный цвет).

С окислительно-восстановительными свойствами элементов в периодической таблице в общем чертах понятно. Теперь скажем пару слов о ионах.

• Элементарные катионы металлов (Na+, Cu2+, Ca2+) являются окислителями и не проявляют восстановительных свойств, окислительные свойства снижаются по мере роста активности металла.
• Ионы металлов с промежуточными степенями окисления могут проявлять, как восстановительные, так и окислительные свойства (Fe2+ – восстановитель; Fe3+ – окислитель).
• Элементарные анионы (Cl-, Br-, I-) являются восстановителями.
• Сложные ионы являются окислителями, если содержат атомы элементов с высокой степенью окисления (Cr2O72-, ClO3-,NO3-), при этом окислительные свойства обусловлены всем анионом, но не конкретным атомом, имеющим высокую степень окисления.

А что же с окислительно-восстановительными свойствами сложных веществ?

При взаимодействии сложных веществ следует обращать внимание на те элементы, которые в ходе реакции меняют свою степень окисления (если таковых нет, то и реакция не является окислительно-восстановительной).

• Если элемент, меняющий свою степень окисления, присутствует в исходном веществе в максимальной степени окисления – такое вещество может быть только окислителем, например перманганат калия, в котором марганец имеет максимальную степень окисления, т.е., может только принимать электроны.
• Если элемент, меняющий свою степень окисления, присутствует в исходном веществе в низшей степени окисления – такое вещество может быть только восстановителем, например, сульфат марганца (II), в котором марганец имеет низшую степень окисления, т.е., может только отдавать электроны.
• Если элемент, меняющий свою степень окисления, присутствует в исходном веществе в промежуточной степени окисления, – такое вещество может быть как окислителем, так и восстановителем – все зависит от других реагирующих веществ и условий протекания реакции.

Рассмотрим вкратце вещества, которые могут проявлять и восстановительные, и окислительные свойства, в зависимости от условий реакции и других взаимодействующих веществ.

Оксид серы (IV) в некоторых случаях играет роль восстановителя, например, окисляясь кислородом, но в металлургии оксид серы используют в реакции извлечения серы из отходящих газов, где оксид серы проявляет свойства окислителя:

2SO2+O2 = 2SO3
2CO+SO2 = S+2SO2

Пероксид водорода H2O2, как восстановитель применяется для дезинфекции, травления германиевых пластинок при изготовлении полупроводниковых приборов. Окислительные свойства пероксида водорода используют при отбеливании пуха, пера, мехов, тюли, волос.

Сернистая кислота в реакции с сероводородом играет роль окислителя, поскольку в молекуле H2S сера имеет степень окисления -2:

H2S+4O3+2H2S-2 = 3S0+3H2O

В реакции с кислородом сернистая кислота выступает восстановителем, поскольку кислород является более сильным окислителем:

2H2S+4O3+O20 = 2H2SO4

Не последнюю роль на окислительно-восстановительные свойства веществ оказывает среда, в которой протекает химическая реакция:

• I2+5H2O2 → 2HIO3+4H2O – при pH=1 пероксид водорода является окислителем;
• 2HIO3+5H2O2 → I2+6H2O+5O2 – при pH=2 пероксид водорода является восстановителем.

Оксид марганца (IV) является окислителем только в кислотной среде:
MnO2+4H++2e- → Mn2++2H2O

Перманганат калия KMnO4 является окислителем в любой среде:

• кислая среда: MnO4-+8H++5e- → Mn2++4H2O
• щелочная среда: MnO4-+1e- → MnO42-
• нейтральная среда: MnO4-+2H2O+3e- → MnO2+4OH-

См. далее:

• Типичные восстановители
• Типичные окислители

Окислители и восстановители любят “свою” среду – в кислотной среде сила окислителей увеличивается, а в щелочной – увеличивается сила восстановителей.

См. далее Элементы-восстановители

1. Вещества, являющиеся окислителями при высоких температурах:
Cl2, F2, KClO3, K2FeO4, KMnO4, KNO3, K2S2O8, MnO2,
NaBiO3, NaO2, O2, PbO2, (Pb2IIPbIV)O4

2. Вещества, являющиеся окислителями в кислотной среде (расположены по уменьшению их окислительной способности):
F2, Na2O2, NiO(OH), (Pb2IIPbIV)O4, O3, K2S2O8, K2FeO4,
NaBiO3, CoO(OH), H2O2, KMnO4, KBrO3, PbO2, Cl2,
K2Cr2O7, MnO2, O2, KNO2, KIO3, Br2, HNO3(конц), I2, H2SO4(конц), H+(разб)

3. Вещества, являющиеся окислителями в щелочной среде:
F2, K2S2O8, Cl2O3, Na2O2, Br2, H2O2, NaClO, NaBrO, KMnO4,
I2, O2, PbO2, (Pb2IIPbIV)O4, K2CrO4, H2O

4. Кислородсодержащие соединение галогенов (а также их соли) являются окислителями в кислотной среде:

• HCl+1O
• HCl+3O2
• HCl+5O3
• HBr+5O3
• HCl+7O4
• 2HI+5O3

5. Сильные кислоты-окислители:

• Азотная кислота HNO3
• Азотистая кислота HNO2 (нитриты, нитраты);
• Серная кислота H2SO4.

Наиболее важные вещества-окислители:

• Галогены, гипохлораты, хлораты, перхлораты
• Соединения марганца: Mn2O7(VII), MnO3(VI), MnO2(IV), K2MnO4
• CrO3(VI), K2CrO4, K2CrO7
• HNO3 и ее соли
• H2SO4(конц), H2SeO4
• O2, O3, H2O2 и его соли
• CuO(II), Ag2O(I), PbO2(IV)
• Катионы благородных металлов
• Ацетат свинца (II)
• Pb(CH3COO)2, FeCl3(III), (NH4)2S2O8, K3[Fe(CN)6]
• Царская водка
• Анод при электролизе

Рассмотрим вкратце наиболее типичные и важные окислители.

Окислительные свойства хлора нашли широкое применение в трикотажной и целлюлозно-бумажной промышленности (отбеливание тканей и бумаги), в качестве дезинфицирующего средства, для обеззараживания воды. Хлор является исходным сырьем для получения многих окислителей (гипохлоритов, хлоритов, хлорпроизводных органических веществ). Уникальность хлора заключается в том, что, восстанавливаясь, хлор принимает один электрон, и переходит в хлорид-ион, который, в зависимости от условий, может терять от 1 до 8 электронов, благодаря чему хлор может принимать степень окисления от -1 до +7. Из соединений хлора, в которых он имеет максимальную степень окисления, получают соединения с промежуточными степенями окисления (в зависимости от температуры и активности восстановителя):

• KCl+7O4 – проявляет только окислительные свойства
• KCl+5O3
• Ba(Cl+3)2)2
• NaCl+1O
• Cl20
• HCl-1 – проявляет только свойства восстановителя

Азотная кислота является сильным окислителем, в зависимости от ее концентрации и активности восстановителя, HNO3 может восстанавливаться до различных соединений (чем концентрирована кислота, тем сильнее она восстанавливается), в которых степень окисления азота колеблется от +4 до -3:

• HN+5O3
• N+4O2 – до оксида азота (IV) восстанавливается концентрированная азотная кислота в реакциях с медь, свинец, бромиды;
• HN+3O2
• N+2O – до оксида азота (II) восстанавливается концентрированная азотная кислота в реакциях с более сильными восстановителями (цинк, магний, йодид калия);
• N2+1O – до оксида азота (I) восстанавливается разбавленная азотная кислота;
• N20 – до аммиака восстанавливается сильно разбавленная азотная кислота;
• N-1H2OH
• N2-2H4
• N-3H3

Концентрированный водный раствор азотной кислоты пассивирует алюминий, железо, хром.

Платина, золото, цирконий, торий не растворяются в азотной кислоте, но растворяются в царской водке (смесь концентрированных HCl и HNO3 в соотношении 3:1).

Высокие окислительные способности царской водки обусловлены выделяющимся атомарным хлором:

HNO3+3HCl = NOCl+2Cl+2H2O
NOCl = NO+Cl
————
HNO3+3HCl = NO+3Cl+2H2O

Растворение золота происходит с образованием золотохлористоводородной кислоты:

Au+3Cl+HCl = H[AuCl4]

Суммарное уравнение окисления золота царской водкой:

Au+HNO3+4HCl = H[AuCl4]+NO+2H2O

Тантал, ниобий, вольфрам, молибден не растворяются даже в царской водке, для их растворения используют смесь азотной и фтороводородной кислоты.

Напоследок скажем о кислороде, который является, пожалуй, самым распространенным окислителем на Земле.

См. далее Классификация ОВР

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.