Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительными называются реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Под степенью окис­ления (n) понимают тот условный заряд атома, который вы­числяется исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов. Иными словами: степень окисления – это тот условный заряд, который приобрел бы атом элемента, если предположить, что он принял или отдал то или иное число электронов.

Окисление-восстановление – это единый, взаимосвязан­ный процесс. Окисление приводит к повышению степени окисления восстановителя, а восстановление – к ее пониже­нию у окислителя.

Повышение или понижение степени окисления атомов от­ражается в электронных уравнениях; окислитель принимает электроны, а восстановитель их отдает. При этом не имеет значения, переходят ли электроны от одного атома к друго­му полностью и образуются ионные связи или электроны только оттягиваются к более электроотрицательному атому и возникает полярная связь. О способности того или иного ве­щества проявлять окислительные, восстановительные или двойственные (как окислительные, так и восстановительные) свойства можно судить по степени окисления атомов окисли­теля и восстановителя.

Атом того или иного элемента в своей высшей степени окисления не может ее повысить (отдать электроны) и проявляет только окислительные свойства, а в своей низшей сте­пени окисления не может ее понизить (принять электроны) и проявляет только восстановительные свойства. Атом же эле­мента, имеющий промежуточную степень окисления, может проявлять как окислительные, так и восстановительные свой­ства.

Пример 1. Исходя из степени окисления (n) азота, серы и марганца в соединениях NH₃, HNO₂, HNO₃, H₂S, H₂SO₃, H₂SO₄, MnO₂, KMnO₄, определите, какие из них могут быть только восстановителями, только окислителями и какие проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства.

Решение. Степень окисления n(N) в указанных соединениях соответственно равна: − 3 (низшая), +3 (промежуточная), +5 (высшая);  n(S) соответственно равна: − 2 (низшая), +4 (промежуточная), +6 (высшая); n(Mn) соответственно равна: +4 (промежуточная), +7 (высшая). Отсюда: NH₃, H₂S − только восстановители; HNO₃, H₂SO₄, KMnO₄ − окислители; MnO₂, HNO₂, H₂SO₃ − окислители и восстановители.

Существует несколько способов составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Метод электронного баланса. Метод основан на сравнении степеней окисления атомов в начальных и конечных веществах. При расчете коэффициентов исходят из того положения, что число электронов, отданных восстановителем должно быть равно числу электронов, принятых окислителем.

Пример 2. Составить уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей по схеме

SO₂ + HNO₃+H₂O = H₂SO₄+NO

Определяем, какие атомы в ходе реакции меняют степень окисления

3S⁺⁴O₂ + 2HN⁺⁵O₃+2H₂O = 3H₂S⁺⁶O₄+2N⁺²O

Таким образом, в ходе реакции происходят процессы:

S → S; N → N

Для соблюдения равенства числа электронов, отданных восстановителем и принятых окислителем, необходимо подобрать множитель для каждого из электронных уравнений:

S ⁺⁴ – 2е = S⁺⁶  3

N ⁺⁵ + 3 e = N ⁺² 2

 

3S⁺⁴ + 2N⁺⁵ = 3S⁺⁶ + 2N⁺²

Подставив эти коэффициенты в схему реакции, получаем:

3SO₂ + 2HNO₃+2H₂O = 3H₂SO₄+2NO

Коэффициент перед формулой воды находят методом подбора, подсчитав число атомов водорода в правой и левой частях.

 

Ионно-электронный метод. Химические процессы могут протекать в кислой, щелочной и нейтральных средах.

Реакции в кислой среде.

K₂Cr₂O₇ + 3NaNO₂ + 4H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3NaNO₃ + 4H₂O+ K₂SO₄

2K⁺ + Cr₂O₇^2- + Na⁺ + NO₂^- + 2H⁺ + SO₄^2-= 2Cr³⁺ + 3SO₄^2- + Na⁺ + NO₃^- + H₂O + 2K⁺ + SO₄^2-

1) Смотрим какие атомы вещества поменяли свой состав и степень окисления

Составляем полуреакцию

В кислой среде:

Cr₂O₇^2- → Cr³⁺

В правой части отсутствует кислород. Кислород компенсируем водой. В левой части отсутствует водород. Учитывая, что реакция протекает в кислой среде добавляем ионы Н⁺. Расставим коэффициенты. Определим количество, полученных электронов.

Cr₂O₇ ^2- + 14H⁺ + 6 e = 2Cr³⁺ + 7H₂O⁰

Составляем уравнение полуреакции для восстановителя – иона NO₂^-,

NO₂^– → NO₃^–

В левой части незаконченной схемы полуреакции недостает кислорода, для его компенсации добавим воду, а в правую часть – ион водорода:

NO₂^– + H₂O → NO₃^– + H⁺

расставим коэффициенты, определим количество потерянных электронов, тогда уравнение полуреакции примет следующий вид:

NO₂^– + H₂O – 2e = NO₃^– + 2H⁺

Уравниваем количество полученных и потерянных электронов и суммируем уравнения этих двух полуреакций:

 

Cr₂O₇ ^2- + 14H⁺ + 6 e = 2Cr³⁺ + 7H₂O⁰

NO₂^– + H₂O – 2e = NO₃^– + 2H⁺

                                                                      __________________

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 3NO₂^- = 2Cr³⁺ + 4H₂O⁰ + 3NO₃^-

 

Реакции в щелочной среде.

Для реакций, проходящих в нейтральной среде (в случае кислородсодержащих веществ или ионов), вода подставляется в левую часть электронно-ионного уравнения, как для окислителя, так и для восстановителя, а в правую часть, в зависимости от содержания кислорода, пишем ионы водорода или гидроксид-ионы. Если исходные вещества или ионы содержат больше кислорода, чем прдукты их восстановления, то в правую часть полуреакции подставляем ионы гидроксида, а если наоборот, то к окисленным продуктам добавляем ионы водорода.

3MnO₂⁰ + K⁺ClO₃^- + 6K⁺OH^- = 3K₂Mn₄^2- + K⁺Cl^- + 3H₂O⁰

1) В щелочной среде компенсация кислорода происходит гидроксид – ионов

ClO₃^-                                                               = Cl^- +

2) Определить какие вещества меняют свой состав и составляем полуреакции

восст. MnO₂⁰ + 4OH^- - 2e = Mn ⁴⁺ + 2H₂O пр.окисл.

4- 2-

3) Недостающий кислород компенсируем ОН^-. А правую часть для компенсации водорода вводим Н₂О

Уравниваем коэффициенты и определяем зарядность

4) Составляем вторую полуреакцию аналогично первой

окисл. ClO₃^- + 3H₂O + 6e = Cl^- + 6OH^- восст.

                 -1                   7-______________

3 MnO₂ + 12OH^- + ClO₃^- + 3H₂O⁰ = 3MnO₄^2- + 6H₂O⁰ + Cl^- + 6OH^-

3 MnO₂+ 6OH^-+ ClO₃^-= 3MnO₄^2-+ 3H₂O⁰+ Cl^-

Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 2KOH = Na₂SO₄ + 2K₂MnO₄ + H₂O

2Na⁺ + SO₃^2- + K⁺ + MnO₄^- + K⁺ + OH^- = 2 Na⁺ + SO₄^2-+ 2K⁺+ MnO₄^2-+ H₂O

восст. SO₃^2-+ 2OH^- - 2е = SO₄^2--+ H₂O окисл. 1

            -4                        -2

окисл. MnO₄^- +1е = MnO₄^2- восст.            2

SO₃^2- + 2OH^- + 2MnO₄^- = SO₄^2--+ H₂O + 2MnO₄^2-

 

Реакции протекающие в нейтральной среде

В нейтральной среде вода подставляется в левую часть полуреакции, как для окисления так и для восстановителя.

В правую часть:

а) если исходные вещества или ионы содержат больше кислорода, то пишем ОН^-

б) если исходные вещества содержат меньше кислорода, то пишут ионы Н⁺

2KMnO₄ + 3KNO₂ + H₂O = 2 + 2KOH + 3KNO₃

K⁺ + MnO₄^1- + K⁺ + NO₂^- + H₂O = MnO₂ + K⁺ + OH^-+ K⁺+ NO₃^-

окисл. MnO₄^- + 2H₂O + 3е = MnO₂+ 4OH^- пр.вост.       2

                           ^{-1                                        -4}

восст. NO₂^-+ H₂O -2е = NO₃^- +2 H⁺ пр. окисл              3                           

                  -1              +1________________________

2MnO₄^-+ 4H₂O + 3NO₂^--+ 3H₂O = 2MnO₂+ 8OH^-+ 3NO₃^--+6 H⁺

2MnO₄^-  + 7H₂O⁰ + 3NO₂^-- = 2MnO₂+ 8OH^--+ 3NO₃^--+6 H⁺

2MnO₄^-  + 7H₂O⁰+ 3NO₂^--= 2MnO₂+ 6 H₂O+ 2OH^-+ 3NO₃^-

2MnO₄^-  + H₂O + 3NO₂^--=2MnO₂+2OH^-+ 3NO₃^-

Вопросы для самоконтроля

1. Какие реакции называются окислительно-восстановительными? Чем отличаются окислительно-восстановительные реакции от других химических реакций?

2. Какие вещества называются окислителями и какие восстановителями?

3. Как по относительной электроотрицательности можно судить о характере связи между атомами в молекуле?

4. Для каких сложных веществ характерны только окислительные свойства? В каких случаях сложные вещества могут выступать в роли окислителей и восстановителей?

5. Установите, какие из приведенных ниже реакций относятся к окислительно- восстановительным, и укажите окислитель и восстановитель:

а) FeO + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂O;

б) Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂;

в) 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃;

г) 2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O;

д) FeO + H₂ = Fe + H₂O.

6. В следующих уравнениях реакций определите окислитель и восстановитель, их степени окисления, расставьте коэффициенты:

а) HgS + HNO₃ + HCl → HgCl₂ + S + NO + H₂O;

б) SnCl₂ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → Sn(SO₄)₂ + SnCl₄ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O;

в) AsH₃ + AgNO₃ + H₂O → H₃AsO₄ + Ag +HNO₃.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: