Get Adobe Flash player
Сайт Анатолия Владимировича Краснянского

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

2.04.2009 13:03      Просмотров: 18195      Комментариев: 15      Категория: Химическое образование

 

 

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

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:

2SO4 <--  --> 2Na+ + SO42-  Две стрелки в этом уравнении показывает, что диссоциация сульфата натрия - обратимый процесс.    

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

2SO4 = 2Na+ + SO42-   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):   2О + 2е-  =  Н2 + 2ОН–     На катоде, как уже говорилось, "раздают" электроны.

На аноде:  (недостаток электрнов): 2О – 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:

2О + 2е- =  Н2 + 2ОН–      |  2

                                                  +

  2О – 4е- = О2 + 4Н+         | 1

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

2О +4е- + 2О  - 4e-  =  2Н2 + 4ОН- О2 + 4Н+

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

Электролиз воды:  2О   =  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: + + 2e-   = H.

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!  

                                               
  
  
 

Ещё статьи:
Комментарии:
Автор: Анатолий Владимирович - ответ Светлане.
Дата: 30.10.2011 7:17
Светлана! Спасибо за поддержку! Она для меня много значит!
Автор: Светлана
Дата: 29.10.2011 23:57
химию не любила,но прочитав этот материал,мне стало интересно!Жаль,что уменя в школе не было такого учителя по химии,как Вы.
Автор: Анатолий Владимирович - ответ Ларисе Анатольевне.
Дата: 12.01.2011 23:09
1. Спасибо за поддержку! К сожалению, у меня сейчас нет времени, чтобы продолжить работу над учебниками и задачниками по химии. Прошу Вас обратить внимание на системный анализ заданий международной программы PISA. Многие из этих заданий, как доказано мною, являются нагромождениями разного рода ошибок. Может быть, наиболее продвинутым детям давать рефераты по этим заданиям PISA? - для развития критического мышления?

2. В 2010 году мне пришлось временно стать юристом: в знаменитой Конвенции о правах ребенка я нашел кучу ошибок.

3. Хочу обратить Ваше внимание нка то, что письмо от Вас по электронной почте я, к сожалению, не получил! Кому Вы поручили отправить письмо? Моя почта как будто нормально работает. Жду от Вас письма.
С уважением - А.В.
Автор: Россихина Лариса Анатольевна
Дата: 10.01.2011 17:33
При всем обилии материала для абитуриентов, Ваш материал, Анатолий Владимирович,отличается доступностью изложения, четкостью.
Огромное спасибо!
Теперь своих учеников я готовлю к ЕГЭ по химии с помощью вашего сайта!
Удачи Вам!!!
Автор: А.В. Краснянский - ответ Насте.
Дата: 8.09.2010 13:24
Основные продукты реакций: Na2S, CaS, Al2S3, SO2, SF6. Найдите старые учебники - Ходакова (8,9 класс), пособие по химии Хомченко.
Автор: настя
Дата: 6.09.2010 23:12
подскажите как сделать номер
"запишите уравнения реакций серы со следующими веществами:а)натрий.б)кальцием.в)алюминий.г)кислородом.е)фтором
ПОМОГИТЕ ПОЖАЛУЙСТА!!!!!
Автор: Анатолий Владимирович - ответ Ксении Анатольевне.
Дата: 25.05.2010 14:12
Спасибо! Желаю успехов!
Автор: Ксения Анатольевна
Дата: 21.05.2010 21:56
Оценила:) Замечательно!
Автор: Анатолий Владимирович - ответ Марине.
Дата: 20.04.2010 18:18
Спасибо! Желаю успехов.
Автор: Марина
Дата: 20.04.2010 17:06
Огромное спасибо автору! В учебнике отмучалась и ничего не нашла, а тут всё как на ладони! ))))
Автор: Влад
Дата: 23.03.2010 17:29
Спасибочки
Автор: Анатолий Владимирович - ответ good_Yorick
Дата: 1.02.2010 21:52
Спасибо за высокую оценку. Желаю успехов!
Автор: poor_Yorick
Дата: 31.01.2010 18:05
Спасибо Вам большое! очень полезная статья!
Автор: Анатолий Владимирович
Дата: 19.09.2009 11:56
Ответ Кате. У Вас есть способности, раз Вы высоко оценили эту статью. СПАСИБО!z
Автор: Катя
Дата: 13.05.2009 16:12
Очень хорошо написано. Интересно и доходчиво)Было бы хорошо увидеть продолжение, может так я хоть что-то в химии пойму...
Огромное спасибо автору!)
Оставить комментарий
Ваше имя
Комментарий
Код защиты

Copyright 2009-2015
При копировании материалов,
ссылка на сайт обязательна