Анатолий Владимирович Краснянский, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Подготовка к ЕГЭ по химии. Как можно быстрее выучить химию элементов? Часть 1. Окислительно-восстановительные реакции с участием соединений водорода.

 Анатолий Владимирович Краснянский, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Подготовка к ЕГЭ по химии – как можно быстро выучить химию элементов? 

Часть 1. Окислительно-восстановительные реакции, в которых изменяется степень окисления водорода

 
 Степени окисления элемента водорода и примеры соответствующих соединений.

 Элемент водород проявляет в своих соединениях степени окисления   +1,    0   и   -1.
 
Степень окисления                      +1                                            0                                        -1   
                                             
 
 
примеры                H₂O и все другие                        молекулярный                          Гидриды
 
веществ                 соединения, кроме                     и атомарный                             лития,
 
                               водорода и гидридов,                  водород: H₂ и H                        натрия и
 
                                                                                                                                                кальция
     
                                                                                                                                               LiH, NaH

 

                                                                                                                                               и CaH₂
 

2. Реакции с участием соединений, в которых водород проявляет степень окисления +1.

2.1. Окислительно-восстановительные реакции, в которых участвует вода

   Степень окисления (условный заряд) атомов водорода в молекуле воды +1, атома кислорода - 2. Рассмотрим сначала реакции, в которых изменяется степень окисления атома водорода в молекуле воды. Атом водорода в степени окисления +1 не может быть восстановителем: у атома водорода всего один электрон, да и тот у него отобрали. Следовательно, он может быть только окислителем, то есть принимать (отбирать) электроны у "зазевавшихся" атомов или молекул. Поэтому вода (а точнее атомы водорода в степени окисления +1) может проявлять окислительные свойства. Кто самые беззащитные, у кого всегда отбирают электроны? Самые "беззащитные" – это металлы. Им запрещают в интеллектуальной игре под названием «Степень окисления» принимать у кого-либо электроны. А среди этих беззащитных легче всего отдают свои электроны щелочные (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) и щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий и радий).

Итак, атомы водорода в степени окисления +1 отбирает электроны у атомов металлов. Но сколько электронов они сразу отбирают: по одному (каждый) – и тогда образуется молекулярный водород (смотрите схему), или каждый по два электрона,  и тогда образуются так называемые гидрид-ионы: атомы водорода в степени окисления -1. Опыт показывает, что, как правило, образуется молекулярный водород: наш "поезд," двигаясь слева направо, останавливается на станции «0».

2.1.1.Вода – окислитель

Реакции, в которых вода проявляет окислительные свойства:

2H₂O + 2Li = 2LiOH + H₂

 2H₂O + 2Na = 2NaOH + H₂

2H₂O + 2K = 2KOH + H₂

2H₂O + 2Ca = Ca(OH)₂ + H₂

2H₂O + 2Ba = Ba(OH)₂ + H₂
 
2H₂O + 2Sr = Sr(OH)₂ + H₂
 
  Эти реакции начинаются при комнатной температуре (говорят, что комнатная температура у многих англичан зимой  +13), а у нас это обычно от +18 до +25 ^оС. Это экзотермические реакции, то есть, по определению, идут с выделением тепла. 

Модель реакции: атомы водорода в молекуле воды, степень окисления которых +1, присоединяют электроны и превращаются в атомы водорода, атомы водорода соединяются, при этом образуются молекулы водорода. Это можно записать следующим образом: 

H(+1) + e^-  =  H   Не забывайте, что степень окисления надо указывать НАД символом элемента, а не рядом, как на сайте.

2H = H₂      

А откуда берутся электроны? Их отдают атомы металла. Например, при реакции кальция с водой атомы кальция теряют свои электроны: Ca - 2e = Ca²⁺.  Окислительно-восстановительную модель реакции кальция с водой можно записать так:

2H(+1) = H₂                   Не забывайте, что степень окисления надо указывать НАД символом элемента, а не рядом, как на сайте.

Ca - 2e^- = Ca(+2)    или так: Ca - 2e^- = Ca²⁺

Можно предложить более информативную модель этой реакции:

1.  Атом кальция "теряет" два своих электрона:

Ca - 2e^- = Ca²⁺   (*)

 2. Две молекулы воды присоединяют два электрона (те, котрые потерял атом кальция) и при этом образуется молекула водорода и образуются два гидроксид-иона:

2H₂O + 2e^- = H₂  + 2 OH^-     (**)    

 3.  Сложим реакции (*) и (**): 

Ca - 2e^- = Ca²⁺   (*)

                                    +

2H₂O + 2e^- = H₂  + 2 OH^- 

и получим уравнение реакции кальция с водой в ионно-молекулярной форме:

Ca + 2H₂O  = H₂  +  Ca²⁺  + 2OH^- .  

Это уравнение (как и любое химическое уравнение) не что иное как знаковая модель реакции кальция с водой.  Какая качественная (неколичественная) информация содержится в этом уравнении, в этой знаковой модели реакции?  А вот такая: кальций взаимодействует с водой, при этом образуется молекулярный водород (он уходит из раствора), а в растворе остаются ионы кальция и гидроксид-ионы. Как видим, выполняется закон сохранения электрических зарядов:  алгебраическая сумма зарядов всех частиц до реакции равна  алгебраической сумме зарядов всех части, образующихся в результате реакции. В реакции кальция с водой: исходные частицы -  атомы кальция и молекулы воды - электронейтральные (незаряженные) частицы, то есть их заряд равен нулю. В результате реакции образуются ионы кальция и гидроксид-ионы,  алгебраическая сумма зарядов образующихся частиц (Ca²⁺ и 2OH^-) равна: (+2) + 2(-1), то есть тоже равна нулю.

Уравнение реакции кальция с водой в молекулярной форме: 

 Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂    

Какая качественная (неколичественная) информация содержится в этом уравнении, в этой знаковой модели реакции? Из этого уравнения следует, что в реакции кальция с водой образуется два вещества: гидроксид кальция и водород. Но из этого уравнения не видно, что гидроксид кальция - щелочь, поскольку не указано, что гидроксид кальция распадается в растворе на ионы кальция и гидроксид-ионы. Гидроксид кальция мало растворим, и поэтому при взаимодействии кальция с водой значительная часть образующегося в реакции гидроксида кальция  может оказаться в осадке. Поэтому для описание системы можно использовать два уравнения:

  Ca + 2H₂O  = H₂  +  Ca²⁺(раствор) + 2OH^- (раствор)

  Ca + 2H₂O =  H₂  +  Ca(OH)₂(осадок)      

Важно понимать, что уравнения химических реакций - это модели процессов (знаковые модели). И как всякие модели, они намного проще, чем объект или процесс, моделью которого они являются.  Сравните автомобиль и его модель - детскую игрушку. Однако как модели, так и, следовательно, детские игрушки могут быть разными. Например, моделью вертолета ("настоящего") является как пластмассовая игрушка с невращающимся винтом, так и "продвинутая" игрушка - вертолет, который летает и может управляться с помощью пульта. Эта игрушка имеет много общего с "настоящим" вертолетом. И дешевая пластмассовая игрушка и дорогой управляемый на расстоянии вертолет - это модели вертолетов, но это разные игрушки, это разные модели. В школе обсуждаются простые модели веществ и процессов ("простые игрушки"), в науке - гораздо более сложные модели ("продвинутые игрушки").  

 Важные замечания.  Степень окисления надо указывать над символом элемента, но на этом сайте это сделать невозможно, и поэтому записываем так: H(+1). Здесь, на сайте, запись H(+1) означает: атом водорода в степени окисления +1. Степень окисления, согласно определению, это УСЛОВНЫЙ заряд атома в соединении.  Степень окисления (условный заряд атома) надо отличать от реального заряда. Например, в  растворах кислот  существуют  ионы водорода.  Это атомы водорода, "потерявшие"  электроны, они обозначаются H⁺.

Поскольку атом водорода (точнее,  изотопа водорода протия) состоит из протона и электрона, то ион водорода это не что иное, как протон. Исследования растворов, содержащих ионы водорода, показали, что в водных растворах протон образует очень прочную связь с молекулой H₂O, в результате образуется ион гидроксония H₃O⁺. Эта частица имеет "свиту": окружена несколькими молекулами воды.  Но в школьном курсе химии можно не учитывать гидратацию иона водорода (протона) и обозначать его просто:  H⁺ . 

   Со многими другими металлами вода реагирует только при высоких температурах. Например, с железом, в зависимости от температуры и других условий реакций образуются оксиды железа FeO, или Fe₃O₄ или Fe₂O₃, например:

       Fe + H₂O <---  ----> FeO+ H₂

Эта реакция обратимая; эту информацию я  выразил двумя  стрелками, но не так как в учебнике  (по другому на  моем сайте не получается).  

Если в  прочный сосуд положить железные опилки, налить воду, закрыть и достаточно долго выдерживать при высокой температуре,  то в сосуде наступит химическое равновесие, то есть, по определению, скорость прямой реакции окажется равной скорости обратной реакции. После быстрого охлаждения (чтобы равновесие не успело сместиться) и химического анализа продуктов реакции мы убедимся, что в сосуде находятся несколько веществ: железо, вода, молекулярный водород (или просто – водород) и оксиды железа. 

Вы наверное, удивились, узнав, что вода может быть окислителем. Но это так, и в этом вы сами убедились.

 2.1.2. Вода – восстановитель

  Как мы ранее убедились, в состав молекулы воды входят атомы кислорода со степенью окисления -2. В качестве постулата примем, что степень окисления кислорода может быть -1 или -2, но не может быть степени окисления -3, -4 и так далее. Иначе говоря, атомы килорода в степени окисления - 2 не могут принимать ("отбирать") электроны, то есть не могут быть окислителелем. Атомы кислорода в степени окисления -2  могут только отдавать электроны, то есть могут быть только восстановителями. Следовательно, вода  может проявлять восстановительные свойства. Наиболее характерная реакция – это реакция со фтором:
 
2F₂ + 2H₂O = 4HF + O₂     (***)

В этой реакции у двух атомов кислорода в степени окисления -2 отобрали 4 электрона и при этом образовалась одна молекула кислорода. А кто отобрал? Отобрал очень сильный окислитель по имени молекулярный фтор, или просто фтор (простое вещество), при этом образовалось 4 атома фтора в степени окисления -1, они входят в состав фтороводорода HF.  Отметим, что степень окисления атомов водорода в этой реакции не изменяется! В системе нет активных металлов (сильных восстановителей) и, следовательно, поэтому нет и  возможности у атомов водорода (в степени окисления +1), входящих в состав молекул воды, "приватизировать" электроны.

2.1.3. Электролиз воды

Чтобы провести электролиз воды, нужно растворить в воде какой-нибудь немного электролита, например сульфата натрия, чтобы образовался разбавленный раствор. Опустим две платиновые пластинки в полученный раствор. Одну пластинку подсоединим к положительному электроду источника тока и будем ее называть анодом. Другую пластинку подсоединим к отрицательному электроду и будем называть ее катодом. Как показывает опыт, электролиз воды идет при разности электрических потенциалов (напряжении), равном  2 вольта.

Какие частицы у нас есть в растворе? Сульфат натрия (сильный электролит) и распадается в воде в воде на ионы натрия и сульфат-ионы:

Nа₂SO₄ <--  --> 2Na⁺ + SO₄^2-  Две стрелки в этом уравнении показывает, что диссоциация сульфата натрия - обратимый процесс.    

Поскольку сульфат натрия - сильный электролит, то электролитическую диссоциацию можно записать так:

Nа₂SO₄ = 2Na⁺ + SO₄^2-   Это уравнение можно интерпретировать так: сульфат натрия распадается полностью (на 100 %) на ионы натрия и сульфат-ионы.   

Возникает вопрос: сульфат натрия - ионное соединение,  его кристаллическая решетка состоит из ионов натрия и сульфат-ионов. Тогда о каком распаде на ионы может идти речь?

И тем не менее можно говорить о распаде.  В кристалле сульфата натрия ионы натрия и сульфат-ионы находятся вблизи друг друга и ограничены в свободе передвижения: не могут "гулять" по кристаллу:  диффузия частиц в кристалле происходит в значительной мере обычно только при температурах, близких к температуре плавления кристалла и, конечно, в расплаве.  А в водном растворе сульфата натрия полная в этом смысле "демократия": "гуляй" где хочешь! На научном языке это звучит так: ионы натрия и сульфат-ионы в растворе обладают поступательными степенями свободы (три степени свободы, так как мы живем в трехмерном пространстве, если, конечно, не вводить еще четвертую ось: время). Кроме того, эти ионы гидратированы: в растворе они окружены "свитой", состоящей из молекул воды, и при движении этих ионов "свита", по крайней мере "ближайшее окружение" двигается" за ионом. Таким образом, электролитическая диссоциация ионных соединений включает два процесса: 1) распад кристалла и образования свободных ионов; 2) гидратацию ионов (если речь идет о водном растворе).  

Следовательно, в растворе сульфата натрия есть: молекулы воды (много),  ионы натрия (мало), сульфат-ионы (мало).    Вблизи катода (отрицательный электрод) собираются ионы натрия, имеющие положительный заряд. Вблизи анода (положительный электрод) собираются отрицательно заряженные сульфат-ионы. Молекул воды полно около каждого из электродов.

На катоде (отрицательный электрод) - избыток электронов, на аноде (положительный электрод) - дефицит электронов. Поэтому  катод "раздает" электроны (но не всем попало),  анод "отбирает" электроны (тоже не у любых частиц). Опыт показывает, что на катоде ионы натрия электроны не "получают" (не восстанавливаются до атомов натрия), а на аноде у сульфат-ионов не "отбирают" электроны. Каким же частицам на катоде "раздают" на катоде  электроны, а у каких частиц на аноде отбирают электроны?  Ответ: молекулы воды. Процессы на электродах можно выразить а виде следующих уравнений:

На катоде (избыток электронов):   2Н₂О + 2е^-  =  Н₂ + 2ОН^–     На катоде, как уже говорилось, "раздают" электроны.

На аноде:  (недостаток электрнов): 2Н₂О – 4е^- = О₂ + 4Н⁺        На аноде "отбирают" электроны. 

Как я уже говорил, химическое уравнение - это модель процесса. Поскольку модели бывают разные, то уточняю: знаковая модель процесса.  Но, может быть, эти уравнения - полная туфта?  Нет. Это легко проверить. Если Вы отделите  катод от анода пористой перегородкой, то с помощью фенолфталенина  легко обнаружите, что в той части системы, где находится катод,  образовался щелочной раствор, то есть в нем есть гидроксид-ионы, а в той части системы, где находится анод, Вы с помощью лакмуса обнаружите, что в нем появились ионы водорода. Лучше всего пользоваться специальной индикаторной бумагой.  Поскольку электроны в данной системе не рождаются и  не исчезают, то число "отданных" на катоде электронов должно быть равно числу электронов, "отобранных" на аноде:

2Н₂О + 2е^- =  Н₂ + 2ОН–      |  2

                                                  +

  2Н₂О – 4е^- = О₂ + 4Н⁺         | 1

Сложим левые и правые части уравнений (не забыв первое уравнение умножить на 2) и получим: 

4Н₂О +4е^- + 2Н₂О  - 4e^-  =  2Н₂ + 4ОН^- +  О₂ + 4Н⁺ . 

Учитывая, что четыре гидроксид-ионы и четыре иона водорода образуют четыре молекулы воды, в конечном итоге получаем: 

Электролиз воды:  2Н₂О   =  2Н₂ + О₂ 

Кто желает более подробно ознакомится с процессами, происходящими при электролизе, обращайтесь в другой раздел этого сайта: http://avkrasn.ru/article-110.html .

 2.2. Окислительно-восстановительные реакции, в которых участвуют кислоты

  Водные растворы кислот всегда содержат ионы водорода. Все кислоты (кроме очень слабых) - кислые на вкус.  Мы - своего рода химические сенсоры. Наш язык (датчик) легко определяет (качественно: много, мало) ионы водорода, хлорид натрия (ионы натрия и хлорид-ионы), сахар (сахарозу) и т.д. А кто такие ионы водорода? Это атомы водорода, у каждого из которых отобрали его единственный электрон. Причем отобрали не условно (как в молекуле воды), а по-настоящему: заряд (не условный) иона водорода +1. Восстановители отдают электроны. Ион водорода не может быть восстановителем просто потому, что у него нет электронов (нечего отдавать). Ион водорода  может быть только окислителем. Обычно он отбирает один электрон, превращается в атом водорода, два атома тут же соединяются и образуется молекулярный водород: 

     Н⁺ + e^-  =  H  (*)

     H + H  =  H₂  (**)

Обычно эти процессы не разделяют и записывают реакцию в виде одного уравнения:  2Н⁺ + 2e^-   = H₂ .

Обратите внимания на закон сохранения электрических зарядов в уравнении (*): алгебраическая сумма электрических зарядов всех частиц в левой части уравнения  равна алгебраической сумме зарядов всех частиц в правой части уравнения:

+ 1  + (-1) = 0  

Посмотрите таблицу в начале статьи. Из таблицы видно, что наш "поезд", двигаясь слева направо, может остановиться на станции «0» или на станции «-1». Однако обычно "поезд" останавливается на станции «0». Ионы водорода, заимев электроны, образуют атомы водорода и затем молекулярный водород.

Я не знаю  реакций, в которых ионы водорода сразу же присоединяли по два электрона и в результате:     Н⁺ + 2e^-   = H^-

   У кого отбирают электроны ионы водорода? Неметаллов присутствие ионов H⁺  не беспокоит.  Опыт показывает, что неметаллы (в виде простых веществ) не реагируют с ионами водорода. Отбирать электроны  ионы водорода могут только у металлов, да и то не у всех.  Чтобы узнать, какие металлы «по зубам» ионам водорода, а какие «не по зубам», достаточно посмотреть на электрохимический ряд металлов: металлы, которые расположены слева от водорода, окисляются ионами водорода, а те, которые справа от водорода – не окисляются. В электрохимическом ряду, приводимом в школьных учебниках,  не указаны платиновые металлы – металлы, похожие на платину по физическим и химическим свойствам: рутений Ru, родий  Rh, палладий Pd, осмий  Os, иридий  Ir. Суммируем данные, известные из учебников и справочников:

  (Cu, Hg, Ag, Au, Pt,  Ru, Rh, Pd, Os, Ir)  + H⁺  -------->  реакция не идет!

Li, Na, Rb, Cs (IA подгруппа) , Be, Mg, Ca, Ba, Ra(IIAподгруппа), Zn, Al, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb   +  H⁺   --->    реакция идет!

Здесь, как видим, не указаны все металлы, но для сдачи ЕГЭ достаточно!

В общем виде реакции металлов с ионами водорода можно записать в виде уравнения: 

2Me +  2nH⁺ =  2Meⁿ⁺ + nH₂.      

Примеры:
 
  Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂                                   2Al + 6H⁺ = 2Al³⁺ + 3H₂     

 Mn + 2H⁺ = Mn²⁺ + H₂                                  Ni + 2H⁺ = Ni²⁺ + H₂ 


2.2.1. Реакции металлов с соляной кислотой.

Соляная кислота (водный раствор хлороводорода HCl) – это сильная кислота. Что означает? Это означает, что степень диссоциации молекул HCl близка к единице (или равна единице, как это принимается в некоторых теориях растворов). А это, в свою очередь означает, что в соляной кислоте (водном растворе хлороводорода) практически нет молекул HCl, зато есть продукты распада (электролитической диссоциации) HCl: есть ионы водорода H⁺ и хлорид-ионы Cl^-.   Хлорид-ионы, это атомы хлора, когда-то приватизировавшие электроны; причем один атом хлора может приватизировать только один электрон (смотрите электронную структуру атома хлора или просто примите в качестве постулата). Хлорид-ионы не могут быть окислителями, то есть не могут "отбирать" у какой-либо частицы электроны и, следовательно, не страшны атомам металлам. Мы уже знаем, что атомам металлов "запрещено" приватизировать электроны, они могут только отдавать их.
 
   В качестве рассмотрим реакцию железа с соляной кислотй. Бросим кусочек железа в соляную кислоту. А что такое соляная кислота? Это раствор, в состав которого входят молекулы воды, ионы водорода и хлорид-ионы.  Ионы водорода атакуют металл (железо), "отбирают" электроны у атомов железа, образуются ионы железа Fe²⁺, которые переходят в раствор. Химическую реакцию железа с раствором соляной кислоты в ионно-молекулярном виде можно записать следующим образом:
 
2H⁺ + 2Cl^- + Fe = Fe²⁺ + H₂ + 2Cl^-     Хлорид-ионы Cl^-     -     "ионы-наблюдатели", они не вмешиваются в процессы "ограбления" атомов железа и "обогащения" ионов

водорода.

Уравнение реакции в молекулярной форме: 

     2HCl + Fe = FeCl₂ + H₂                           
 
   Таким образом, хлорид ионы не участвуют в процессе перераспределения электронов и "равнодушно наблюдают", как ионы водорода отбирают электроны у атомов железа. Не участвующие в реакции ионы называют ионами-наблюдателями. В реакции железа с ионами водорода надо запомнить, что ионы водорода способны забрать у каждого атома железа только два электрона. Три электрона у атома железа  забирают галогены, например, молекулы хлора. Железная проволока горит в газообразном хлоре, при этом образуется хлорид железа(III): 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃ .

 Поскольку в соляной окислителем являются ионы водорода, то соляная кислота не реагирует с металлами, которые стоят правее водорода в электрохимическом ряду металлов (см. выше).
 
 
  2.2.1. Реакции металлов с серной кислотой.
 
     Химические свойства разбавленного раствора серной кислоты отличаются от химических свойств концентрированного раствора серной кислоты.  В разбавленной серной кислоте содержатся в основном ионы H⁺ и сульфат-ионы (смотрите в учебниках главу "теория электролитической диссоциации"), а в концентрированной кислоте много молекул серной кислоты и очень мало ионов водорода и гидросульфат-ионов (степень диссоциации молекул серной кислоты в ее концентрированном растворе очень мала).

Поэтому в разбавленном растворе серной кислоты действуют ("грабят" атомы железа) ионы водорода, например:

2H⁺ + Fe = Fe²⁺ + H₂

Сульфат-ионы не участвуют в реакции, то есть выступают в роли "наблюдателей".

Уравнение реакции в молекулярном виде:

Fe + H₂SO₄ (разб) =  FeSO₄ +  H₂
 
Уравнения реакций с другими металлами: 
 
Mn + H₂SO₄ (разб) =  MnSO₄ +  H₂

Ni + H₂SO₄ (разб) =  NiSO₄ +  H₂

Zn + H₂SO₄ (разб) =  ZnSO₄ +  H₂

2Al + 3H₂SO₄ (разб) =  Al₂(SO₄)₃ +  3H₂
 
Поскольку в разбавленной серной кислоте окислителем являются ионы водорода, то разбавленная серная кислота не реагирует с металлами, которые стоят правее водорода в электрохимическом ряду металлов (смотрите и выше, и ниже):
 
 (Cu, Hg, Ag, Au, Pt,  Ru, Rh, Pd, Os, Ir)  + H2SO4 (разб.) ------->  реакция не идет!

Химические свойства у концентрированной серной кислоты уже другие: ведь в концентрированной серной кислоте практически нет ионов водорода. Например, концентрированная серная кислота при 20 ^oС с железом не реагирует. Реакция идет  только при повышенной температуре, медленно, например при кипячении:
 
2Fe + 6H₂SO₄ (конц)    =  Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O
 
Окислителем в этой реакции можно считать молекулы серной кислоты. Атомы серы в степени окисления +6 получают ("приватизируют") по два электрона, а у каждого атома железа отбирают по три электрона;   степень окисления водорода (+1) не изменяется. Это можно записать следующим образом:

Fe - 3e = Fe(+3)             |   2         Перенос электронов можно записать и так:   Fe - 3e = Fe³⁺   В этом уравнении мы указываем, что образуется ионы железа Fe³⁺

S(+6) + 2e = S(+4)         |  3           Не забывайте, что степень окисления надо указывать НАД символом элемента, а не рядом, как на сайте.

Откуда появляются цифры "2" и "3" в уравнениях реакций? Нет процессов, в результате которых создаются "новые" электроны или исчезают "старые" (за исключением некоторых  ядерных процессов). Поэтому  число отданных электронов должно быть равно числу принятых электронов. Но мы видим, что в уравнении реакции перед химической формулой серной кислоты стоит цифра 6, а вроде бы должна стоять цифра "3". Почему так? А очень просто. Три молекулы серной кислоты участвуют в "приватизации" электронов, отобранных у двух атомов железа, а еще три молекулы кислоты не участвуют, но без них нельзя: они дают сульфат-ионы ионам железа - если образовались два иона железа Fe³⁺, то для них необходимо три сульфат-иона. Алгебраическая сумма зарядов в любой порции вещества равна нулю: так уж устроены вещества. Небольшие и временные отклонения наблюдаются при электризации тел, когда часть электронов за счет, например, трения, переходит от одного тела к другому.   

    3. Окислительно-восстановительные реакции  молекулярного водорода

  Молекулярный водород может быть окислителем и восстановителем. Это видно из таблицы (смотрите начало статьи). 

Окислительные свойства H₂ проявляет при "встрече" со щелочными (Li, Na, K, Rb, Cs)  и щелочноземельными металлами (Ca, Sr, Ba, Ra).    Атомы этих металлов легко отдают свои электроны: атомы щелочных металлов - по одному, атомы щелочноземельных металлов - по два. Атомы водорода принимают по одному электрону, превращаясь в гидрид-ионы. Гидриды щелочных металлов являются ионными соединениями, то есть мы можем считать, что гидрид натрия состоит из ионов натрия Na⁺ и гидрид-ионов  H^- ,  а гидрид кальция состоит из ионов кальция Ca²⁺  и  гидрид-ионов H^- .

  Гидриды образуются при нагревании щелочных и щелочноземельных металлов в атмосфере водорода:
 
  2Na + H₂  =  2NaH

Na - e = Na⁺       | 2

H₂ + 2e = 2H⁺    | 1 

  Ca + H₂  =  CaH₂   

   Ca - 2e = Ca²⁺        | 1 

    H₂ + 2e = 2H⁺        | 1 

Внимательный читатель, наверное, увидел, что в ионном уравнении вместо атома натрия в степени окисления + 1 [ Na(+1) ] я записал ион натрия Na⁺, а вместо атома водорода в степени окисления + 1  [ H(+1) ] я записал гидрид-ион H^- . Но ведь в данном случае речь идет и гидриде натрия, а это ионное соединение, а оно состоит из ионов - частиц не с условными зарядами, а реальными зарядами.  Аналогично и для реакции кальция с водородом.

 Восстановительные свойства водород проявляет, когда встречается  с сильными окислителями, например галогенами (в виде простых веществ) и молекулярным кислородом. Реакции с хлором и кислородом могут идти очень быстро: при определенных условиях смеси водорода с хлором и кислородом взрываются:
 
  H₂ + Cl₂ =  2HCl

  2H(+1) - 2e^- = 2H(+1)       | 1        Не забывайте, что степень окисления надо указывать НАД символом элемента, а не рядом, как на сайте.

   2Cl(0) + 2e^- = 2Cl(-1)      | 1

 

   2Н₂ + O₂ =  2H₂O

   2H(+1) - 2e^- = 2H(+1)           | 1    Не забывайте, что степень окисления надо указывать НАД символом элемента, а не рядом, как на сайте.

    2O(0) + 4e^- = 2O(-2)            | 2

   В этих реакциях атомы водорода  (в молекуле H₂) отдают по одному электрону (а больше у них и нет) и поэтому степень окисления атомов водорода в HCl  и в H₂O равна +1. Атомы хлора приобретают по одному электрону, атомы кислорода - по два электрона, и поэтому степень окисления атомв хлора в HCl равна -1, степень окисления атомов кислорода в молекуле воды  -2.

   4. Окислительно-восстановительные реакции гидридов щелочных и щелочно-земельных металлов  

Как уже говорилось, гидриды щелочных металлов являются ионными соединениями, то есть мы можем считать, что, например, гидрид лития состоит из ионов натрия Na⁺ и гидрид-ионов  H^- ,  а гидрид бария BaH₂ состоит из ионов бария Ba²⁺  и  гидрид-ионов H^- . Наличие гидрид-иона Н^- экспериментально подтверждено при электролизе расплавленного гидрида лития: на аноде выделяется водород, на катоде - литий  (http://oglibrary.ru/data/demo/015644/0156440015.htm):

Отрицательно заряженный электрод - катод (избыток электронов, здесь "дают" электроны):                         Li⁺   + e^-  = Li        | 2

Положительно заряженный электрод - анод (недостаток электронов, здесь "отбирают" электроны):         2H^-   - 2e^-  = H₂      | 1 

Умножим первое уравнение на 2, второе на 1 и сложим эти уравнения. В итоге получим:    Электролиз расплава гидридалития:      2LiH  = 2Li + H₂ .

Как уже говорилось, атомы водорода  могут иметь следующие степени окисления  -1 (в гидридах) , +1 (например, в воде) и 0 - в молекуле водорода H₂. Степень окисления атомарного водорода (свободных атомов  водорода, то есть не связанных ни с какими частицами))  тоже равна 0. Нет атомов водорода в степени окисления -2.  Нет и не может быть атомов водорода в степени окисления +2, так у атома водорода только один электрон. Следовательно: 1) атомы водорода в степени окисления -1 (гидрид-ионы) могут быть только восстановителями, то есть могут только отдававать электроны; 2) атомы водорода в степени окисления +1 (например, в молекулах воды) могут быть только окислителями, то есть могут только принимать электроны; атомы водорода в степени окисления 0 (атомарный водород, молекулярный водород) могут быть как окислителями, так и восстановителями (смотрите таблицу в начале статьи). 

Гидриды щелочных и щелочно-земельных металлов взаимодействуют с водой с образованием соответствующих гидроксидов и водорода:

LiH  + H₂O= LiOH + H₂ .

H(-1)   - e^- = H     Атом водорода со степенью окисления -1  (гидрид-ион H^-) отдает один электрон и образуется атом водорода.

H(+1) + e^-  = H    Атом водорода со степенью окисления +1 (в молекуле воды) принимает один электрон и образуется атом водорода.

H + H = H₂          Два атома водорода соединяются и образуется молекула водорода H₂.

Из этих уравнений видно, что гидрид-ионы, в отличие от ионов водорода и галогенид-ионов, не могут существовать (неустойчивы) в водных растворах.
 

Статья не закончена!