Химия

Окислительно-восстановительные реакции
План урока:
Виды уравнений окислительно-восстановительных реакций
Основные термины
Если реакция рассматривается как ОВР-процесс, в ней обязательно присутствует окислитель и восстановитель.
- восстановитель – атом в составе простой или сложной молекулы, отдающий электроны. Степень окисления становится меньше.
- окислитель – атом в составе простой или сложной молекулы, принимающий электроны.
Характеристика окислителей
Это все неметаллы, кислоты, пероксиды и некоторые соли. Способность отщеплять электроны изменяется в зависимости от положения элемента в таблице Менделеева: в периоде увеличивается слева направо, в группе – с низу вверх. Самым сильным окислителем считается фтор. Так же, к этой группе относятся высшие оксиды элементов. Сила способности отнять электроны сложных веществ зависят от степени окисления нужного атома и от концентрации.
Такие свойства выражаются стандартным электродным потенциалом. Чем он выше, тем выше окислительные свойства. Все окислители делятся на четыре группы.
Таблица. Группы окислителей и их характеристика
ОВР кислот
От растворимости зависят свойства азотной и серной кислот.
HNO3
Чем ближе концентрация HNO3 к 100%, тем больше электронов получит азот.
- Ca + 4HNO3(конц.)= Ca(NO3)2+ 2NO2 + 2H2O (1 e)
- 3Mg + 8HNO3(40 %)= 3Mg(NO3)2+ 2NO + 4H2O (3 e)
- 4Mg + 10HNO3(20 %)= 4Mg(NO3)2+ N2O + 5H2O (4 e)
- 5Ba + 12HNO3(6 %)= 5Ba(NO3)2+ N2 + 6H2O (5 e)
- 4Zn + 10HNO3(0.5 %)= 4Zn(NO3)2+ NH4NO3 + 3H2O (8 e).
Продукты реакции, также, зависят от положения металла в ряду активности.
Таблица. Продукты реакции разбавленной и концентрированной азотной кислоты с металлами с различной активностью.
Исключения:
- Благородны металлы не реагируют с этой кислотой ни при каких условиях.
- Al, Cr и Fe реагируют с безводным окислителем только при нагревании.
H2SO4
Серная кислота одно из сильных веществ, отнимающих электроны. Продукт реакции, так же, как и с азотной, зависят от концентрации кислоты и активности первоначального металла. Растворимая серная кислота не дает специфических продуктов и реагирует только с металлами до водорода в ряду активности. При этом, образуется соль металла и водород:
2Na + H2SO4 → Na2SO4 + H2
Продукты H2SO4(конц.) с металлами перечислены в таблице.
Таблица. Продукты реакции концентрированной серной кислоты с металлами с различной активностью.
Зависимость окисления от реакционной среды
ОВР может проходить в щелочной, нейтральной или кислой среде. При этом, один и тот же атом может проявлять разные свойства. Ярким примером являются реакции KMnO4и K2Cr2O7
Особенности KMnO4 как окислителя
Перманганат калия или натрия способен проявлять только окислительные свойства за счет иона Mn+7. В реакциях с ним всегда используется вещество, определяющее кислотность среды, не участвующее в ОВР-процессе. Им может быть:
- H2SO4 (формирует кислую среду)
- H2O (нейтральная)
- NaOH или KOH (щелочная среда).
Таблица. Продукты реакции перманганата калия в зависимости от реакционной среды.
Особенности K2Cr2O7 как окислителя
Бихромат калия – один из распространенных веществ с указанными свойствами, продукты восстановления которого, так же, зависят от среды.
Таблица. Продукты реакции перманганата калия в зависимости от кислотности среды.
Запись ОВР процесса
При отображении такого процесса записывают не только реакцию, но и преобразования окислителя и восстановителя. Так, первая строчка – само уравнение c расставленными степенями окисления:
H+2S2- + Cl02 = S0 + 2H+Cl-
Если у элемента н изменилась степень окисления, он не является участником ОВР (у нас это водород)
Далее записывается процесс его восстановления:
S2- – 2е → S0 (окислитель, восстановление)
И восстановления:
Cl02 + 2е →2 Cl- (восстановитель, окисление)
Уравнивание ОВР-реакций
Одним из самых сложных действий в написании ОВР является уравнивание молекул. Существует два способа: метод электронного баланса и метод электронно-ионного баланса (полуреакций).
Метод электронного баланса
Метод основан на определении баланса между количеством отданных и принятых электронов:
Al0 + Cu+2S+6O4 -2 → Al+32(S+6O4-2 )3 + Cu0
В ходе процесса изменяются степени окисления двух элементов – Alи Cu, с которыми работаем в первую очередь. Алюминий отдает электроны и превращается в ион Al+3. Он окисляется в ходе реакции. Ион меди, принимая два электрона, восстанавливается, степень окисления меди изменяется от +2 до 0. Изменения степеней окисления можно выразить электронными уравнениями:
Al0 – 3e → Al+3 (окисление)
Cu+2 + 2e → Cu0 (восстановление)
Количество принятых и переданных электронов должно быть одинаковым. Поэтому: умножаем цифры между собой (находим общее кратное): 3×2=6.
Если разделить общее кратное на число переданных алюминием электронов(6/3=2), то найдем коэффициент перед этой молекулой в уравнении (ставим перед Al).
То же действие позволит найти коэффициент для второго реагента: 6/2=3 (ставим перед Cu).
В результате получаем основные цифры в записи реакции:
2Al + 3CuSO4 = Al2(SO4)3 + 3Cu
Если в уравнении больше реагентов и продуктов, остальные находятся математическим уравниванием.
Проверку правильности коэффициентов всегда осуществляем по кислороду.
Метод полуреакций
Чтобы уравнять и написать уравнение методом полуреакций, нужно использовать определенный алгоритм:
- Записать реагенты: K2Cr2O7+ H2SO4+ H2S
- Определить окислитель и восстановителя
- Записывают процесс окисления и восстановления с учетов преобразования всех атомов молекул: Cr2O72−+ 14H++ 6e− = 2Cr3+ + 7H2O * 1
H2S − 2e− = S(т) + 2H+ * 3
- Записывают продуты образования окислителя и восстановителя с учетов коэффициентов (из формул): 2Cr3+ и S
- Сгруппировать остальные атомы в продукты (дополнительное ионное взаимодействие между средообразующей молекулой и реагентом. Чаще всего – соль): K2SO4
- Собирать полный процесс: K2Cr2O7+ 4H2SO4+ 3H2S = Cr2(SO4)3 + 7H2O + 3S(т) + K2SO4
- Проверить правильность коэффициентов по кислороду.
Виды уравнений окислительно-восстановительных реакций
Окислитель и восстановитель не всегда находятся в разных молекулах. Иногда это один атом, участвующий сразу в двух процессах или разные молекулы с одним и тем же элементом и т.д. в зависимости от этого выделяют несколько вариантов ОВР:
- Межмолекулярные
Окислитель и восстановитель являются разными молекулами.
2 KMn+7O4 + 10 KI- + 8 H2SO4 → 6 K2SO4 + 5 I20 + 2 Mn+2SO4 + 8 H2O
Mn+7 + 5 ē → Mn+2 – 5 – 2 (окислитель восстанавливается)
2 I-1 – 2 ē → I20 – 2 – 5 (восстановитель окисляется)
- Внутримолекулярные
Внутримолекулярные– взаимодействия, в которых окислитель и восстановитель находятся в одной молекуле.
(N-3H4)2Cr2+6O7 → N20 + Cr2+3O3 + 4 H2O
2 Cr+6 +6 ē → 2 Cr+3 – 6 – 1 (окислитель восстанавливается)
2 N-3 – 6 ē → N20 – 6 – 1 (восстановитель окисляется)
Атомы с противоположными свойствами находятся в одной молекуле
- Реакция диспропорционирования
Диспропорционирование – ОВР, в котором и оба свойства проявляет один и тот же атом, образуя несколько продуктов с разными степенями окисления.
Cl20 + 2 NaOH → NaCl- + NaCl+O + Н2О
Cl20 + 2 ē → 2 Cl- - 2 – 1 (окислитель восстанавливается)
Cl20 - 2 ē →2 Cl+ - 2 – 1 (восстановитель окисляется)
- Реакция репропорционирования
Репропорционирование – противоположный процесс, когда один элемент из разных состояний переходит в одно.
2 H2S-2 + S+4O2 → 3 S0 + 2 H2O
S-2 + 4 ē → S0 – 4 – 1 (окислитель восстанавливается)
S+4 - 2 ē → S0 – 2 – 2 (восстановитель окисляется)
Общее кратное коэффициентов – 2. т.о., у соединений первой серы (S-2) коэффициент 1, а у соединений второй серы (S+4) – коэффициент 2.
При кажущейся сложности, ОВР-процессы одни из самых распространенных в природе. Например – ржавление железа, скисание молока и даже дыхание являются примерами этих процессов.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
Какой из перечисленных процессов является окислительно-восстановительным:
1) ZnCl2 + H2S = ZnS + 2HCl 2) СаО + СО2 = СаСО3 3) 4HCl + MnO2 = Cl2 + MnCl2 + 2H2O 4) К2O + 2HCl = 2 КCl + H2O
Окислительно – восстановительную двойственность проявляет вещество, формула которого:
1) HNO3 2) N2O5 3) KMnO4 4) KNO2
под какой буквой происходит отдача электронов:
1) Fe+3 → Fe+2 2) O+2 → O-2 3) Mn+5 → Mn+2 4) 2Cl-1 → Cl20
Расставьте коэффициенты любым удобным способом: KClO3 + HCl → Cl2 + KCl + Н2O Какая цифра стоит перед кислотой:
1) 2 2) 5 3) 6 4) 15
Вещество будет восстановителем, если атом, входящий в его состав, может:
1) только отдавать электроны 2) только присоединять электроны 3) является амфотерным 4) иметь только постоянную степень окисления