4.2 Окислители и восстановители
Назад
Окислитель (Ox) – вещество, присоединяющие к себе электроны во время реакции. В противоположность ему восстановитель (Red) при протекании реакции отдает электроны. При этом происходит восстановление окислителя и окисление восстановителя.
Зная степень окисления элемента, можно сделать вывод о склонности вещества быть окислителем или восстановителем, т.е. предсказать его химические свойства. Очевидно, что атомы с высокой степенью окисления (с большим положительным зарядом) будут стремиться забрать электроны, т.е. будут окислителями, а с низкой степенью окисления стремиться электроны отдать, т.е. проявлять свойства восстановителей. Соединения с промежуточной степенью окисления могут быть как окислителями, так и восстановителями. Рассмотрим следующий ряд соединений кислорода:
$$\mathrm{H_2O^{-2} \quad H_2O_2^{-1} \quad O_2^0 \quad O_2F_2^{+1} \quad O^{+2} F_2}$$
Для кислорода наиболее типичными являются степени окисления \(–2\) и \(0\). Соединения \(\mathrm{O_2F}\) и \(\mathrm{OF_2}\) c положительными степенями окисления кислорода будут пытаться забрать электроны, чтобы перейти в более устойчивые степени окисления, т.е. будут сильными окислителями. Кислород в степени окисления \(–2\) может быть только восстановителем, поскольку еще принимать электроны ему уже некуда – электронная оболочка полностью заполнена. Однако кислород в степени окисления \(–2\) очень неохотно окисляется, потому что обладает большой электроотрицательностью и степень окисления \(–2\) очень устойчива. В пероксиде водорода и молекулярном кислороде кислород имеет промежуточную степень окисления и может как отдавать, так и принимать электроны (то есть быть как окислителем, так и восстановителем), но все же охотнее принимает (проявляет окислительные свойства) из-за высокой электроотрицательности.
Самая высокая положительная степень окисления элемента, которую он может принять, равна номеру его группы в периодической системе, например:
| Элемент | Самая высокая СО | Пример |
| \(\mathrm{N}\) | \(+5\) | \(\mathrm{HNO_3}\) |
| \(\mathrm{S}\) | \(+6\) | \(\mathrm{H_2SO_4}\) |
| \(\mathrm{Mn}\) | \(+7\) | \(\mathrm{KMnO_4}\) |
| \(\mathrm{Ru}\) | \(+8\) | \(\mathrm{RuO_4}\) |
Однако нужно помнить, что для элементов с высокой электроотрицательностью высшие степени окисления могут не достигаться, например, для кислорода соединения со степенью окисления \(+6\) не известны, хотя для серы, селена и теллура – известны. Фтор в соединениях проявляет только одну степень окисления \(–1\), тогда как для йода – элемента той же седьмой группы известны степени окисления до \(+7\).
В соответствии с периодическим законом в периодах окислительные свойства растут (слева направо), а восстановительные свойства снижаются (за исключением инертных газов, которые имеют заполненные электронные оболочки), например, в четвертом периоде калий самый активный восстановитель, а бром – самый сильный окислитель.
В главных подгруппах сверху вниз усиливаются восстановительные свойства и ослабляются окислительные, например, лучшие восстановители – щелочные металлы высоких периодов – франций \(\mathrm{Fr}\) и цезий \(\mathrm{Cs}\), а лучшие окислители – галогены низких периодов – фтор \(\mathrm{F}\) и хлор \(\mathrm{Cl}\). Все атомарные металлы могут быть только восстановителями.
Окислительно-восстановительные свойства молекул зависят от того, какие атомы и в каких степенях окисления в них входят. Например, в иодате натрия \(\mathrm{NaIO_3}\) есть атом иода с высокой степенью окисления \(+5\), поэтому вся молекула чаще всего будет проявлять свойства окислителя. В перманганате калия \(\mathrm{KMnO_4}\) марганец находится в своей высшей степени окисления, поэтому может быть только окислителем, а в сульфате марганца \(\mathrm{MnSO_4}\) он находится в более низкой степени окисления \(+2\), поэтому это соединение чаще всего будет проявлять свойства восстановителя и очень редко окислителя. В соединении \(\mathrm{MnO_2}\) марганец находится в своей промежуточной степени окисления \(+4\), поэтому может быть как окислителем, так и восстановителем.
| Соединение | СО марганца | Свойства |
| \(\mathrm{KMnO_4}\) | \(+7\) | Только окислитель |
| \(\mathrm{MnO_2}\) | \(+4\) | Окислитель и восстановитель |
| \(\mathrm{MnSO_4}\) | \(+2\) | Восстановитель и очень редко окислитель |
Запомните следующие важнейшие окислители: \(\mathrm{KMnO_4}\), \(\mathrm{K_2Cr_2O_7}\), \(\mathrm{O_2}\), \(\mathrm{O_3}\), \(\mathrm{HNO_3}\), \(\mathrm{H_2O_2}\), \(\mathrm{PbO_2}\), \(\mathrm{Cl_2}\), \(\mathrm{F_2}\), \(\mathrm{HIO_3}\), \(\mathrm{H_2SO_{4 \: (конц.)}}\), \(\mathrm{KClO_3}\), \(\mathrm{SnCl_4}\), ток на аноде.
Запомните следующие важнейшие восстановители: \(\mathrm{H_2}\), \(\mathrm{Na}\), \(\mathrm{K}\), \(\mathrm{C}\), \(\mathrm{CO}\), \(\mathrm{S}\), \(\mathrm{SO_2}\), \(\mathrm{Na_2SO_3}\), \(\mathrm{HI}\), \(\mathrm{FeSO_4}\), \(\mathrm{H_3PO_3}\), \(\mathrm{SnCl_2}\), \(\mathrm{N_2H_4}\) (гидразин), глюкоза, ток на катоде.
Задачи
Задача 1Среди перечисленных ионов выберите те, которые могут быть только восстановителями: а) \(\mathrm{Na^+}\); б) \(\mathrm{SO_4^{2-}}\); в) \(\mathrm{SO_3^{2-}}\); г) \(\mathrm{S^{2-}}\); д) \(\mathrm{Ca^{2+}}\); е) \(\mathrm{MnO_4^-}\); ж) \(\mathrm{Cl^-}\).
г, ж. Только восстановителями могут быть атомы в самой низкой СО.
Среди перечисленных ионов выберите те, которые могут быть только окислителями: а) \(\mathrm{Na^+}\); б) \(\mathrm{SO_4^{2-}}\); в) \(\mathrm{SO_3^{2-}}\); г) \(\mathrm{S^{2-}}\); д) \(\mathrm{Ca^{2+}}\); е) \(\mathrm{MnO_4^-}\); ж) \(\mathrm{Cl^-}\).
а, б, д, е. Только окислителями могут быть атомы в самой высокой СО.
Назовите самый сильный восстановитель в водном растворе.
Ток на катоде.
Назовите самое сильное вещество-окислитель.
\(\mathrm{F_2}\).