Przypomnijcie sobie:
• jak wyznaczyć potencjalne stopnie utlenienia pierwiastków (wg § 14);
• pierwiastki metaliczne są najczęściej rozmieszczone w dolnej lewej części układu okresowego, a niemetaliczne - w górnej prawej.
Pierwiastki:
• w wyższym stopniu utlenienia — tylko utleniacze;
• w niższym - tylko reduktory;
• w średnim — i utleniacze, i reduktory.
Utleniacze i reduktory Atomy pierwiastków chemicznych, które przebywają w wyższym stopniu utlenienia, mogą być tylko utleniaczami, ponieważ mogą tylko przyłączać elektrony.
Pierwiastki w niższym stopniu utlenienia mogą być tylko reduktorami, ponieważ mogą tylko oddawać elektrony. Jeżeli pierwiastek przebywa w stopniu pośrednim utlenienia, to może zarówno przyłączać, jak i oddawać elektrony, tak więc, może wykazywać właściwości zarówno reduktora, jak i utleniacza. Charakterystyczne stopnie utlenienia niektórych pierwiastków i odpowiadające im związki podano w Dodatku 2.
Na przykład, zbadamy siarkę i charakterystyczne dla niej związki o różnym stopniu utlenienia tego pierwiastka. W siarkowodorze stopień utlenienia siarki jest niższy i równa się -2, zewnętrzny poziom energetyczny siarki jest pełny i może tylko oddawać elektrony. Tak więc siarka ze stopniem utlenienia -2 może być tylko reduktorem:
Wyższy stopień utlenienia siarki równa się +6, który uwidacznia się, na przykład, w kwasie siarkowym. Koncentrowany kwas siarkowy może utleniać wiele substancji i właściwości utleniające w tych przypadkach wykazuje właśnie siarka, która w stopniu utlenienia +6 oddała
wszystkie elektrony z zewnętrznego poziomu energetycznego i teraz może tylko je przyłączać, czyli być tylko utleniaczem:
W stopniach pośrednich utlenienia - 0 (w siarce) i +4 (na przykład w S02) - atom siarki może zarówno przyłączać, jak i oddawać elektrony, wykazując właściwości zarówno utleniające, jak i redukcyjne. Może on redukować się albo utleniać do różnych stopni utlenienia, co ilustruje schemat:
Na przykład, podczas oddziaływania siarki z wodorem siarka wykazuje właściwości utleniające, a w reakcji z tlenem - redukcyjne:
Tak więc, jeden pierwiastek chemiczny w zależności od stopnia utlenienia, który wykazuje w tym lub innym związku, może być i utleniaczem, i reduktorem. Aby określić możliwości wchodzenia w takie, czy inne reakcje trzeba porównać stopień utlenienia pierwiastka w pewnym związku ze stopniem utlenienia, który może wykazywać pierwiastek, bazując na budowie jego powłoki elektronowej.
Rozpowszechnione substancje- utleniacze
Właściwości utleniające najbardziej wykazują typowe niemetale (halogen, tlen, siarka), jak również niektóre substancje złożone, które zawierają pierwiastki chemiczne w wysokich stopniach utlenienia (+5...+7).
Tlen 09 - najbardziej rozpowszechniony na Ziemi utleniacz. Może utleniać wiele substancji prostych i złożonych, tworząc tlenki. Reakcjom tym towarzyszy wydzielenie wielkiej ilości ciepła. Przy czym sam tlen redukuje się do
niższego stopnia utlenienia:
Najmocniejszym utleniaczem wśród substancji prostych jest fluor F2. W normalnych warunkach reaguje on z większością substancji, a w razie podgrzewania utlenia również metale szlachetne — złoto i platynę. W atmosferze fluoru pali się nawet woda. Fluor w żadnym wypadku nie może być reduktorem, ponieważ fluor nie wykazuje dodatniego stopnia utlenienia.
Stężony kwas siarkowy H2S04 mocny utleniacz dzięki siarce. Najczęściej w reakcjach redukuje się do stopnia utlenienia +4, tworząc tlenek siarki(IV) S02. Rozcieńczony kwas siarkowy jest słabym utleniaczem, ponieważ w takim przypadku utleniaczem jest jon wodoru H+.
Kwas azotowy HN03 - mocny utleniacz dzięki azotowi. Podczas reakcji redukuje się do różnych stopni utlenienia: od +4 do —3. Mieszanina stężonych kwasów azotowego i solnego („woda królewska”) reaguje ze złotem i platyną:
Nadmanganian potasu KMn04 - jeden z najważniejszych reagentów w laboratoriach chemicznych. Wykazuje on mocne właściwości utleniające dzięki manganowi. Wykorzystywany jest jako utleniacz w syntezie organicznej, analizie chemicznej, do laboratoryjnego otrzymywania tlenu. Ma szerokie zastosowanie w medycynie jako środek antyseptyczny.
Dichromian potasu K2Cr207 - cenny utleniacz, który ma zastosowanie w produkcji barwników, wyprawiania skóry, w pirotechnice, malarstwie. Jego mieszanina ze stężonym kwasem siarkowym (chromianka) jest wykorzystywana do mycia szkła laboratoryjnego, żeby pozbyć się niezauważalnych plam.
Nadtlenek wodoru H202 - reagent rozpowszechniony w laboratoriach chemicznych. Tlen w nim wykazuje stopień utlenienia —1, co jest pośrednie dla niego, tym samym nadtlenek wodoru można wykorzystywać zarówno jako utleniacz i reduktor.
Rozpowszechnione substancje - reduktory
Redukcyjne właściwości są charakterystyczne dla wielu substancji prostych (metale oraz niektóre niemetale (wodór, węgiel)), jak również związków niemetalicznych w niższych stopniach utlenienia (-4...-1): H2S, NH3, HI, CH4 itd.
Najbardziej rozpowszechnionym reduktorem w przemyśle jest węgiel, a przede wszystkim koks, który wytwarza się przez specjalną obróbkę węgla. Koks wykorzystuje się do redukcji metali z tlenków: PbO + C = Pb + CO.
Wodór H2 — rozpowszechniony reduktor. Jest on także wykorzystywany do redukcji metali:
Mn02 + 2H2 = Mn + 2H20.
Przez swoją łatwopalność wodór nie jest tak rozpowszechniony w przemyśle, jak koks, ale w reakcjach z wodorem otrzymujemy metale o wiele wyższej jakości (czystsze).
Metale - typowe reduktory, przy czym im bardziej z lewej strony znajdują się w rzędzie aktywności, tym silniejsze posiadają właściwości redukcyjne. Niektóre metale znajdują zastosowanie w przemyśle do redukcji innych metali z tlenków: Cr203 + 2A1 = A1203 + 2Cr.
Myśl główna
Pierwiastki chemiczne w wyższym stopniu utlenienia mogą wykazywać tylko właściwości utleniające, w niższym stopniu - tylko właściwości redukcyjne. Jeżeli pierwiastek znajduje sią w stopniu pośrednim utlenienia, może być zarówno utleniaczem, jak i reduktorem.
Pytania kontrolne
184. W jakim stopniu utlenienia pierwiastki mogą wykazywać właściwości: a) wyłącznie utleniające; b) wyłącznie redukcyjne; c) i utleniające, i redukcyjne? Odpowiedzi objaśnijcie.
185. Podajcie przykłady substancji, które wykazują mocne właściwości utleniające i redukcyjne. Objaśnijcie swój wybór.
186. W jaki sposób zależy aktywność atomów pierwiastka w reakcjach utlenienia i redukcji od jego stopnia utlenienia?
Zadania utrwalające wiedzę
187. Czy może wykazywać właściwości redukcyjne: a) atom fluoru; b) jon fluorkowy; c) atom sodu; d) jon sodu? Odpowiedź uzasadnijcie.
188. Dlaczego fluor i tlen w reakcjach chemicznych jest przeważnie utleniaczem? Czy istnieją jeszcze substancje proste, które byłyby wyłącznie utleniaczami lub tylko reduktorami? Odpowiedź uzasadnijcie.
189. W każdym rzędzie substancji znajdźcie pierwiastek, który znajduje się we wszystkich trzech substancjach. Określcie jego stopień utlenienia we wszystkich związkach. Według stopnia utlenienia określcie, w której substancji pierwiastek ten może być wyłącznie utleniaczem, w której - wyłącznie reduktorem, a w której - wykazywać zarówno właściwości utleniające, jak i redukcyjne.
190. Ułóżcie równania reakcji spalania w tlenie podanych substancji i określcie pierwiastek-reduktor.
Żelazo, wodór, fosfor, siarkowodór, tlenek węgla(ll), metan CH4.
191. Ułóżcie równania spalania wapnia w tlenie. W której substancji atomy tracą elektrony, a w której - przyłączają? Nazwijcie utleniacz i reduktor.
192. Ułóżcie równania reakcji utlenienia wodorem następujących substancji: tlenek wolframu(IV), tlenek chromu(lll), tlenek tytanu(IV).
W każdej reakcji określcie pierwiastek-utieniacz.
193. Żelazo można uzyskać redukcją tlenku żelaza(lll) przy pomocy węgla, wodoru, glinu. Ułóżcie odpowiednie równania reakcji. Nazwijcie utleniacz i reduktor w każdej z tych reakcji.
194. Glin w bromku glinu znajduje się w wyższym stopniu utlenienia, a brom -w niższym. Który pierwiastek w tym związku może być utleniaczem, a który - reduktorem? Odpowiedź objaśnijcie, wykorzystując równania reakcji:
195. Parę stuleci temu obrazy malowano farbami, które zawierały biel ołowianą. W ciągu wielu lat takie obrazy bardzo ciemniały w następstwie przetworzenia się bieli na siarczek ołowiu(ll) o czarnym kolorze. Podczas restauracji obrazów są one obrabiane roztworem nadtlenku wodoru, dzięki czemu czarny siarczek ołowiu(ll) utlenia się do białej substancji, w której siarka wykazuje stopień utlenienia +6. W jaki związek przetwarza się siarczek ołowiu(ll)? Ułóżcie równania tej reakcji. Jak uważacie, czy można nadtlenek wodoru wykorzystywać do wybielania wyrobów ze srebra, które ciemnieją w wyniku pokrycia siarczkiem srebra(l)?
196. Jak uważacie, w jakim powietrzu szybciej pociemnieje srebro: w czystym czy zabrudzonym? Ułóżcie plan eksperymentu, który mógłby udowodnić waszą myśl.
197. W źródłach dodatkowych znajdźcie informacje o wykorzystaniu procesów utlenienia i redukcji w życiu codziennym i przemyśle.
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz