Окислительно-восстановительные свойства неметаллов
Окислительно-восстановительные свойства неметаллов определяются строением их внешнего электронного слоя и положением элемента в периодической системе. Неметаллы обычно принимают электроны и выступают окислителями, но некоторые из них в реакциях с более сильными окислителями могут отдавать электроны и проявлять восстановительные свойства.
Окислитель принимает электроны и понижает свою степень окисления. Восстановитель отдаёт электроны и повышает свою степень окисления. Окисление всегда сопровождается отдачей электронов, а восстановление — их присоединением.
Строение атома и способность принимать электроны
У большинства неметаллов на внешнем энергетическом уровне находится от 4 до 7 электронов. До завершения внешнего уровня им не хватает от 4 до 1 электрона, поэтому неметаллы способны принимать электроны и образовывать отрицательные ионы или ковалентные связи. Чем сильнее притяжение внешних электронов к ядру, тем выше электроотрицательность и тем сильнее окислительные свойства простого вещества.
В периоде слева направо заряд ядра увеличивается, а радиус атома в целом уменьшается. Поэтому притяжение электронов усиливается: неметаллические и окислительные свойства возрастают. В главных подгруппах сверху вниз увеличивается радиус атома и число электронных слоёв, поэтому способность принимать электрон обычно ослабевает.
| Направление в периодической системе | Изменение неметаллических свойств | Изменение окислительной способности |
|---|---|---|
| В периоде слева направо | Возрастает | Обычно возрастает |
| В главной подгруппе сверху вниз | Ослабевает | Обычно ослабевает |
| К правому верхнему углу таблицы | Максимальна | Максимальна; исключение по ряду свойств — фтор |
В пределах периода окислительные свойства простых веществ-неметаллов обычно усиливаются слева направо. В пределах главной подгруппы они обычно ослабевают сверху вниз. Самый сильный окислитель среди простых веществ — фтор \(\mathrm{F_2}\).
Окислительные свойства неметаллов
Окислитель принимает электроны у другого вещества. Простые вещества-неметаллы чаще всего выступают окислителями в реакциях с металлами и некоторыми неметаллами, расположенными левее или ниже них по способности принимать электроны. Например, хлор окисляет железо, а кислород окисляет водород и многие металлы.
Сила галогенов как окислителей уменьшается в ряду \(\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}\). Поэтому более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли. Подробно этот принцип рассматривается на странице окислительные свойства галогенов, а сами реакции — на странице вытеснение галогенов из растворов солей.
Какую роль играет \(\mathrm{O_2}\) в реакции \(\mathrm{C + O_2 -> CO_2}\)?
Восстановительные свойства неметаллов
Неметалл проявляет восстановительные свойства, если отдаёт электроны. Это возможно, когда его атом имеет степень окисления ниже максимально возможной или когда он реагирует с более сильным окислителем. В простых веществах неметаллов степень окисления равна нулю, поэтому они могут как принимать, так и отдавать электроны в зависимости от партнёра по реакции.
В реакции с оксидом металла углерод отдаёт электроны, а катион металла принимает их. Поэтому углерод восстанавливает металл из его оксида.
Водород также может быть восстановителем: он отдаёт электроны кислороду или оксидам металлов. Углерод и угарный газ применяют для восстановления некоторых металлов из оксидов. Сера и фосфор в реакциях с кислородом обычно являются восстановителями, поскольку их степени окисления повышаются от 0 до положительных значений.
Вещество с промежуточной степенью окисления элемента может быть и окислителем, и восстановителем. Например, \(\mathrm{SO_2}\) и сульфит-ионы могут окисляться до сульфатов или восстанавливаться до соединений серы с более низкой степенью окисления.
Для анализа соединений серы полезна страница степени окисления серы. Особые случаи для кислорода, пероксида водорода и кислот разобраны на страницах окислительно-восстановительные свойства кислорода, окислительно-восстановительные свойства пероксида водорода, окислительные свойства концентрированной серной кислоты и окислительные свойства азотной кислоты.
Алгоритм определения роли неметалла в реакции
- Запишите степени окисления всех элементов до и после реакции.
- Определите, какие элементы изменили степени окисления.
- Если степень окисления увеличилась, элемент отдал электроны и вещество является восстановителем.
- Если степень окисления уменьшилась, элемент принял электроны и вещество является окислителем.
- Составьте электронный баланс и проверьте, что число отданных электронов равно числу принятых.
Разобранный пример
Определим окислитель и восстановитель в реакции концентрированной серной кислоты с медью: \(\mathrm{Cu + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2 + H_2O}\). Коэффициенты пока не расставлены.
Не называйте восстановителем вещество, которое просто содержит элемент с низкой степенью окисления: роль определяется конкретной реакцией. Не путайте изменение степени окисления элемента с зарядом иона. В реакции \(\mathrm{Cl_2 + 2KBr}\) хлор — окислитель, а бромид-ионы — восстановитель. Концентрированная серная и азотная кислоты могут быть окислителями даже тогда, когда кислота не выделяет водород.
Особые случаи: кислород, пероксиды и кислоты
Кислород обычно имеет степень окисления \(-2\), но в пероксидах — \(-1\), а в соединении с фтором может иметь положительную степень окисления. Поэтому пероксид водорода \(\mathrm{H_2O_2}\) способен проявлять двойственные свойства: окисляться до кислорода или восстанавливаться до воды.
Азот в простом веществе \(\mathrm{N_2}\) имеет степень окисления 0, а в азотной кислоте — +5. Концентрированная азотная кислота и концентрированная серная кислота проявляют сильные окислительные свойства, поэтому при их взаимодействии с металлами продукты восстановления кислоты могут отличаться от водорода.
Сначала сравните положение элементов в периодической системе, затем учтите строение внешнего уровня и возможные степени окисления. Для конкретной реакции решающим признаком остаётся изменение степени окисления.
Быстрая проверка
Главное
- Неметаллы обычно принимают электроны и выступают окислителями, но в реакциях с более сильными окислителями могут быть восстановителями.
- Окислительные свойства простых веществ обычно усиливаются слева направо в периоде и ослабевают сверху вниз в главной подгруппе.
- Роль вещества в ОВР определяют по изменению степени окисления: повышение означает восстановитель, понижение — окислитель.
- Фтор — самый сильный окислитель среди простых веществ; сила галогенов уменьшается в ряду \(\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}\).
- Кислород, пероксид водорода, сера и кислоты имеют особые случаи, поэтому их свойства нужно анализировать по конкретному уравнению реакции.