Исторически понятието окислително – редукционни процеси е възникнало при изучаването и описването на реакциите на кислорода. При свързването на даден химичен елемент с елемента кислород, казваме за него, че се окислява, а самият процес е окисление. Обратният процес на отнемане на кислород от съединенията му се нарича редукция.
окисление на мед:
2Cu0 + O20 → 2Cu2+O2-
редукция на меден оксид:
Cu2+O2- + H20 → Cu0 + H21+O2-
Окислението в горните примери протича, защото медта отдава два електрона на кислорода и се образува химична връзка. Редукцията се осъществява, защото водородът по-лесно отдава електрони, има по-голям афинитет към кислорода и измества медта от съединенията и́. Очевидно е, че окислително-редукционните процеси са свързани по някакъв начин с преноса на електрони.
От съвременна гледна точка не е необходимо в реакцията да участва кислород, за да бъде тя част от съвкупността на всички окислително – редукционни процеси. Реакции, при които атомите или йоните на химичните елементи променят степента си на окисление се наричат окислително – редукционни. Промяната на степента на окисление става посредством обмяна на електрони. Двата процеса са взаимно свързани.
Редуктор
Атомите или йоните на химичните елементи, които отдават електрони се наричат редуктори. Обикновено металите са редукторите в химичните реакции, но на практика почти всеки атом може да бъде редуктор:
окисление на редуктора мед: 2Cu0 + O20 → 2Cu2+O2-
окисление на редуктора сяра: S0 + O20 → S4+O22-
Окислител
Атомите или йоните на химичните елементи, които приемат електрони се наричат окислители. Обикновено неметалите са окислителите в химичните реакции, но на практика почти всеки атом може да бъде окислител.
редукция на окислителя сяра: S0 + H20 → H2+S2-
редукция на на окислителя мед: Cu2+O2- + H20 → Cu0 + H21+O2-
Забележете разликата, че според ранните схващания се редуцира медният оксид, защото губи кислорода си, а според съвременното определение за окислител се редуцира само медта, защото приема електрони, т.е. редуцира (намалява) степента си окисление от 2+ на 0!
Окислително – редукционни процеси: окисление и редукция
Процесът на отдаване на електрони се нарича окисление, т.е. редукторът се окислява.
Процесът на приемане на електрони се нарича редукция, т.е. окислителят се редуцира.
На долната схема се вижда една класическа окислително-редукционна реакция. В нея две молекули калиев йодид (KI) взаимодействат с молекулен хлор (Cl2) и се образуват две молекули калиев хлорид (KCl) и молекулен йод (I2). Реакцията е записана по два начина:
Първото уравнeние е просто стехиометрично и показва само реактивите и продуктите на реакцията, както и техните съотношения.
При втория запис съединенията са представени в дисоциирана форма, отбелязана е тяхната степен на окисление и със стрелка отгоре е показан преходът на електрони от редуктора към окислителя. В този пример окислителят е молекулният хлор, който приема два електрона. Редукторът е йодът в калиевия йодид, който отдава един електрон, но понеже молекулите калиев йодид са две, то отдадените електрони са два.
При реакции с по-сложни молекули е трудно да се определи кой е редукторът и кой е окислителят, затова като правило се приема, че повишаването на броя на кислородните атоми в големите органични молекули е окисляване (а също намаляване броя на водородните атоми). Обратното се приема за редукция. (Точно както историческото понятие!)
Окислително – редукционна активност (Редът на относителната активност)
Общо правило е, че с повишаване на поредния номер на химичните елементи в периодите на периодичната система, нараства и тяхната окислителна активност. Елементите в началото на всеки период са добри редуктори, а в края – добри окислители. С нарастване на поредния номер в групата зависимостта е обратната, т.е. намалява окислителната способност на елементите.
Редът на относителната активност на металите (РОАМ) и техните йони се определя в зависимост от това дали йоните на даден метал изместват тези на други метали от техните съединения или не. В ляво са по-силните редуктори, а в дясно по-слабите.
Li, Cs, Rb, K, Ba, Na, Mg, Be, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Au
Редът на относителната активност на неметалите и техните йони се определя в зависимост от това дали йоните на даден неметал изместват тези на други неметали от техните съединения или не. В дясно са по-силните окислители, а в ляво по-слабите.
S, I, Br, Cl, F
Почти всички химични елементи могат да се проявяват като окислители и редуктори, в зависимост от това с какво вещество взаимодействат или в каква степен на окисление са.
Пример: 3CuCl2 + 2Al → 2AlCl3 + 3Cu
Ако потопим парче алуминиево фолио във воден разтвор на меден дихлорид (синьозелена сол) започва бурен окислително-редукционен процес. Реакцията протича с отделяне на метална мед, защото алуминият се намира вляво от нея в РОАМ и я измества от съединението ú. Новополученото съединение е бял алуминиев трихлорид.
Изравняване на окислително – редукционни уравнения
За да бъде изравнено едно химично уравнение трябва да са известни както всички реагенти, така и всички продукти. Освен това необходимо е да се знае условният заряд на атомите в химичните съединения, който е известен под наименованието степен на окисление. Степента на окисление на атомите участващи в йонните съединения съвпада с реалния заряд на съответните йони. При съединенията с ковалентна химична връзка, условно се приема, че атомите имат йонен заряд (все едно са йонни съединения) и посредством него се определя и степента им на окисление.
Сборът на всички степени на окисление в една електронеутрална молекула е винаги нула. Нула е и степента на окисление на простите вещества. Водородът винаги има степен на окисление +1 в съединенията си освен в хидридите му с елементите от първа и втора А-групи на периодичната система. Простото вещество водород има нулева степен на окисление. Освен в съединението му с флуора, кислородът винаги е от -2 степен на окисление. Металите винаги имат положителна степен на окисление, съответстваща на номера на групата им. Неметалите винаги имат отрицателна степен на окисление ако са свързани с водород или метал. Доста често степента на окисление съвпада с валентността на химичните елементи в техните съединения, но това не винаги е така, защото валентност и степен на окисление са различни понятия.
След като определим всички степени на окисление в едно уравнение, трябва да открием окислителя и редуктора, т.е. съединенията, които си променят степента на окисление в края на реакцията. След това с помощта на електронни преходи се съставя електронен баланс на уравнението, посредством който се вижда колко електрона приема/отдава окислителя/редуктора и как се изравнява общото количество на приетите електрони с това на отдадените. Поставят се допънителни множители пред редуктора и окислителя ако това е необходимо, а след това се изчисляват и останалите коефициенти. Така описано звучи доста неясно, затова ще го илюстрираме с един пример:
