XIV. Окислительно- восстановительные реакции

Окислительно–восстановительными реакциями (ОВР) называются реакции, идущие с изменением степеней окисления всех, некоторых или хотя бы одного элемента.

Степенью окисления называется заряд атома, вычисленный исходя из условного предположения, что все связи в молекуле ионные. Другими словами: степень окисления- это тот условный заряд, который приобрел бы атом элемента, если предположить, что он принял или отдал то или иное число электронов.

Примеры ОВР:

                            2Zn⁰+O₂=2Zn⁺²O^-2

                            3H₂S^-2+S⁺⁴O₂=3S⁰+3H₂O

                            2KMn⁺⁷O₄+16 HCl^-1=5Cl⁰₂+2KCl+2Mn⁺²Cl₂+8H₂O

При определении степени окисления атомов в соединениях следует учитывать:

- водород почти во всех соединениях проявляет степень окисления +1. Исключение - гидриды металлов (например NaH^-1, CaH₂^-1);

- кислород во всех соединениях, за исключением пероксидов (например H₂O₂^-1) и O⁺²F₂, обладает степенью окисления -2;

- сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю;

- степени окисления атомов в простых веществах (H₂, Cl₂, сера, графит и др.) равны нулю.

Изменение степеней окисления атомов в ходе ОВР вызвано переносом электронов от восстановителя к окислителю.

Окислителем является атом (молекула или ион), принимающий электроны; восстановителем - атом (молекула или ион), отдающий электроны.

Окислитель в процессе реакции восстанавливается, восстановитель - окисляется.

Окисление - процесс приема электронов, восстановление – процесс их отдачи.

 

В приведенных выше уравнениях Zn⁰, S^-2, Cl^-1 - восстановители, в ходе реакций окисляются, повышая степени окисления соответственно до Zn⁺², S⁰, Cl⁰; O⁰, S⁺⁴, Mn⁺⁷- окислители, в ходе реакций восстанавливаются, понижая степени окисления соответственно до O^-2, S⁰, Mn⁺².

     Окислительные свойства характерны:

а) для типичных неметаллов (F₂, Cl₂, O₂ и др.) в свободном состоянии;

б) кислородсодержащих кислот и их солей (H₂SO₄, HNO₃, нитраты, кислородсодержащие кислоты галогенов и их соли, KMnO₄, K₂Cr₂O₇ и др.);

в) водорода в составе неорганических кислот;

г) ионов металлов, находящихся в высшей степени окисления (Fe³⁺, Cu²⁺, Hg²⁺ и др.)

     К важнейшим восстановителям принадлежат: а) активные металлы- металлы Ia, IIa подгрупп, Zn, Fe, Al и др.; б) анионы бескислородных кислот (HCl, HBr, HI, H₂S) и их соли; в) металлы в низшей степени окисления (Sn²⁺, Fe²⁺, Cu⁺ и др.).

     ОВР подчиняются не только закону сохранения массы, но и закону сохранения электрического заряда, т.е. число электронов, отданных в данной реакции восстановителем, должно равняться числу электронов, присоединенных окислителем. Поэтому подбор коэффициентов ОВР осуществляют с таким расчетом, чтобы соблюдался баланс по электронам.

     При составлении ОВР методом электронного баланса:

- записывают схему реакции:

              Na₂SO₃+KMnO₄+H₂SO₄ ® Na₂SO₄+MnSO₄+K₂SO₄+H₂O;

- определяют элементы, атомы которых изменяют степень окисления в ходе реакций:

     Na₂S⁺⁴O₃ + KMn⁺⁷O₄+H₂SO₄ ® Na₂S⁺⁶O₄+Mn⁺²SO₄+K₂SO₄+H₂O;

- составляют электронные уравнения процессов окисления и восстановления:

     S⁺⁴- 2 e ®S⁺⁶ (окисление, S⁺⁴-восстановитель)

     Mn⁺⁷+5 e ®Mn⁺² (восстановление, Mn⁺⁷- окислитель);

- устанавливают баланс по электронам, умножая полученные электронные уравнения на наименьшие множители, определяемые найденными числами электронов:

         

     S⁺⁴- 2 e ®S⁺⁶                 5 |       5S⁺⁴-10 e® 5S⁺⁶

                                                 | ®

Mn⁺⁷+5 e®Mn⁺²   2  |       2Mn⁺⁷+10 e®2Mn⁺²;

 

- переносят найденные коэффициенты из электронных уравнений в молекулярное:

5Na₂SO₃+2KMnO₄+H₂SO₄ ® 5Na₂SO₄+2MnSO₄+K₂SO₄+H₂O;

- проставляют коэффициенты перед оставшимися веществами (они однозначно определяются уже проставленными коэффициентами):

5Na₂SO₃+2KMnO₄+3H₂SO₄ ® 5Na₂SO₄+2MnSO₄+K₂SO₄+3H₂O;

- проверяют материальный баланс по атомам каждого элемента (обычно бывает достаточно проверить баланс по кислороду и водороду: слева и справа по 35 атомов кислорода и по 6 - водорода).

 

Примеры решения задач

 

Пример 1. Определить степень окисления Si, Mn, Cr всоединениях H₂SiO₃, Mn(OH)₄, K₂Cr₂O₇.

Решение. Проставляем известные степени окисления, обозначив неизвестные как x, y, z соответственно: H₂⁺¹ Si^X O₃^-2, Mn^Y (O^-2H⁺¹)₄, K₂⁺¹Cr₂^Z O₇^-2.

Поскольку сумма степеней окисления всех атомов в молекуле должна быть равна нулю, то неизвестные величины находим из уравнений

         2× 1+x+3× (-2)=0 y+4× (-2)+4× 1=0 2× 1+2× z+7(-2)=0

          x=4                 y=4                z=6

Таким образом, Si⁺⁴, Mn⁺⁴, Cr⁺⁶.

 

Пример 2. Исходя из степеней окисления азота и серы, определить, какие соединения могут быть только восстановителями, только окислителями и какие могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства:

 NH₃, N₂H₄ , N₂, NO, HNO₂, HNO₃, H₂S, H₂S₂, S₂, SO, SO₂, H₂SO₄.

Решение. Определяем степени окисления N и S в указанных соединениях:

N^-3H₃, N₂^-2H₄, N₂⁰, N⁺²O, HN⁺³O₂, H₂S^-2, H₂S₂^-1, S₂⁰, S⁺²O, S⁺⁴O₂, H₂S⁺⁶O₄.

Азот находится в V группе, сера в VI. Следовательно, максимальная степень окисления азота +5, минимальная -3, для серы соответственно +6 и -2. Любые другие степени окисления для этих элементов являются промежуточными.

В максимальной степени окисления элемент проявляет только окислительные свойства, в минимальной- только восстановительные, в промежуточной- как окислительные, так и восстановительные. Поэтому:

NH₃ и H₂S- восстановители, HNO₃ и H₂SO₄- окислители, остальные вещества могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Пример 3. Могут ли протекать ОВР между веществами: а) MnO₂ и HI; б) K₂Cr₂O₇ и NaNO₂; в) FeCl₂ и H₂S; г) KMnO₄  и H₂O₂?

Решение

 а) Степень окисления Mn=+4 - промежуточная, I=-1 - минимальная. Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем MnO₂ - окислитель, HI - восстановитель;

б) степень окисления Сr=+6 - максимальная, N=+3- промежуточная.

Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем K₂Cr₂O₇ -окислитель, NaNO₂ - восстановитель;

в) степень окисления Fe=+2 - минимальная, S=-2 - минимальная.

Оба элемента в данных соединениях могут проявлять только восстановительные свойства. Следовательно, взаимодействие этих веществ невозможно;

г) степень окисления Mn=+7, кислород в составе пероксидов имеет степень окисления -1, которая для него является промежуточной. Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем KMnO₄- окислитель, H₂O₂- восстановитель.

 

Пример 4. Определить коэффициенты в ОВР методом электронного баланса

                            Zn+H₂SO₄ ® ZnSO₄+H₂S +H₂O

                  Zn⁰+H₂S ⁺⁶ O₄ ® Zn⁺²  S ⁺⁶ O₄+H₂S ^-2 +H₂O

 

Zn⁰- 2e = Zn⁺²    8 4        4Zn⁰-8 e=4 Zn⁺² (окисление, Zn⁰ – восстановитель)

                                   ®

S⁺⁶ +8e = S^-2         2 1    S⁺⁶+8 e= S^-2 (восстановление, S⁺⁶ - окислитель)

                                     

4Zn+H₂SO₄ ® 4ZnSO₄+H₂S +H₂O

Особенность данной реакции в том, что S⁺⁶ выполняет роль как окислителя (один атом восстанавливается до S^-2), так и солеобразователя (в составе иона SO^-2₄ без изменения степени окисления идет на связывание четырех ионов Zn²⁺). Поэтому перед H₂SO₄ должен стоять коэффициент 5, а

не 1.

Коэффициент перед H₂O определяется однозначно из соображений материального баланса:

                            4 Zn+5H₂SO₄ ® 4 ZnSO₄+H₂S +4 H₂O

Слева и справа по 20 атомов кислорода и по 10 атомов водорода.

Пример 5. Определить коэффициенты в ОВР методом электронного баланса

                  A⁺³s₂ S^-2₃ +HNO⁺⁵₃ ® H₃A⁺⁵sO₄ + H₂ SO₄+N⁺²O

Особенность данной реакции в том, что два элемента - мышьяк и сера повышают свои степени окисления, т.е. являются восстановителями.

При составлении электронных уравнений учтем, что соотношение атомов As и S два к трем:

 

2As⁺³ - 4e ® 2As⁺⁵                                               6As⁺³-12e ® 6As⁺⁵

                              ý 28 e 3  ®                                     ý 84 e

3S^-2 - 24e ® 3S⁺⁶                                 9S^-2 – 72e ® 9S⁺⁶

 

  N⁺⁵ +3e ® N⁺²                             28         28 N⁺⁵+84e ® 28 N⁺²

 

         3As₂ S₃ +28HNO₃ ® 6H₃AsO₄ + 9H₂ SO₄+28 NO

 

Слева и справа по 84 атома кислорода и по 28 атомов водорода.

Задачи

 

141. Определите методом электронного баланса коэффициенты в уравнениях окислительно-восстановительных реакций:

Cu + H₂SO₄ (конц.) = CuSO₄ + SO₂ + H₂O

Cu + HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

 

142.*  Cu₂S + HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + H₂SO₄ +NO₂ + H₂O

 

              KMnO₄ + NaNO₂ + H₂SO₄ = MnSO₄ +NaNO₃ + K₂SO₄ + H₂O

 

143.*           Zn + HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + H₂O

 

Zn +H₂SO₄ (конц.) = ZnSO₄ + SO₂ +H₂O

 

144.*           MnO₂ + KI + H₂SO₄ = MnSO₄ + I₂ + K₂SO₄ + H₂O

 

KMnO₄ + H₂O₂ + H₂SO₄ = MnSO₄ + O₂ + K₂SO₄ + H₂O

    

  145.*           CrCl₃ + H₂O₂ + KOH = K₂CrO₄ + KCl + H₂O

 

K₂Cr₂O₇ + H₂S + H₂SO₄ = Cr₂ (SO₄)₃ + S + K₂SO₄ + H₂O

 

  146.*            Mn(NO₃)₂ + PbO₂ + HNO₃ = HMnO₄ + Pb(NO₃)₂ + H₂O

                        MnO₂ + FeSO₄ + H₂SO₄ = MnSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + H₂O

 

147.*           Fe + HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO₂ +H₂O

 

KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂O = MnO₂ + Na₂SO₄ + KOH

 

148.* K₂Cr₂O₇ + FeSO₄ + H₂SO₄ = Cr₂ (SO₄)₃ + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

 

                        KMnO₄ + H₂S + H₂SO₄ = MnSO₄ + S + K₂SO₄ + H₂O

 

149.*            Ni + HNO₃ = Ni(NO₃)₂ + NO + H₂O

 

Cd + HNO₃ = Cd(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O

 

150.*            Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂S + H₂O

 

Ni(OH)₂ + NaOH + Br₂ = Ni(OH)₃ + NaBr

 

* См. условие задачи № 141.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: