Окислительно - восстановительные реакции

Основные понятия

Окислительно-восстановительными (ОВР) называют реакции, проходящие с изменением степени окисления элементов за счет перехода электронов от одних частиц к другим.

Степень окисления атома – его условный заряд, который вычисляют, исходя из предположения, что молекулы состоят только из ионов. Степень окисления атомов элементов в простых веществах равна нулю, кислорода в большинстве соединений - (–2), водорода и щелочных металлов - (+1). Высшая степень окисления элемента, как правило, равна номеру группы, в которой расположен элемент в Периодической системе Д.И.Менделеева. Низшая степень окисления для атомов металлов равна нулю, для атомов неметаллов – суммарному заряду электронов, необходимых для достройки последнего энергетического подуровня. В формулах степень окисления при необходимости показывают арабской цифрой над символом элемента, например .

Пример. Определить степень окисления марганца в соединениях: MnO₂, K₂MnO₄, KMnO₄.

Решение. Составляем простейшие алгебраические уравнения, обозначив

степень окисления марганца за .

Формула соединения	Алгебраическое уравнение	Степень окисления
MnO2
K2MnO4
KMnO4

· Процесс отдачи электронов называют окислением. Частицы, отдающие электроны, называют восстановителями (Red). Окисление повышает степень окисления атомов восстановителя. Только восстановительные свойства проявляют металлы, а также атомы элементов в низшей степени окисления.

· Процесс присоединения электронов называют восстановлением. Частицы, присоединяющие электроны, называют окислителями (Ох). Восстановление приводит к понижению степени окисления атомов окислителя. Только окислительные свойства проявляют кислород, фтор, а также атомы элементов в высшей степени окисления.

Атомы элементов, имеющие промежуточную степень окисления, а также неметаллы (кроме кислорода и фтора) могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Например:

· проявляют только окислительные свойства - , ;

· только восстановительные свойства - , ;

· и окислительные, и восстановительные свойства - , .

Составление уравнений ОВР

Для составления уравнений ОВР применяют различные методы, например, для реакций, происходящих в водных растворах (в этой работе рассмотрены в основном такие), - метод электронно-ионных полуреакций. При использовании этого метода необходимо:

· применять правила написания ионных уравнений;

· соблюдать материальный баланс (число атомов химического элемента в левой и правой частях уравнений должно быть одинаковым);

· соблюдать баланс электронов (число электронов, отданных восстано-вителем и принятых окислителем должно быть одинаковым).

При составлении уравнений полуреакций окисления и восстановления необходимо учитывать среду и возможность участия в реакции молекул воды или других ионов. Для уравнивания числа атомов кислорода (наиболее часто встречающийся случай) можно воспользоваться табл. 3, в которой «избыточный» атом кислорода в составе сложной частицы обозначен «O^2—»:

 

 

Таблица 3

Процесс	Среда в окислительно – восстановительных реакциях
кислая	щелочная	нейтральная
Связывание «O2–»: (NO3—® NO2—)	«O2—»:+ 2H+ = H2O	«O2—»: + H2O = 2OH—	«O2—» + H2O =2OH—
Введение «O2—» (SO32— ® SO42—)	H2O = «O2—»:+ 2H+	2OH— = «O2—» + H2O	H2O = «O2—» + 2H+

 

Алгоритм расчета коэффициентов и написания ОВР рассмотрим на примере составления уравнения реакции с заданными в ионной форме продуктами. Схема ОВР:

+ + KOH ® + Cl^—

Ох Red

· Рассчитываем степени окисления элементов (указаны на схеме), определяем окислитель и его восстановленную форму (СlO₃^— ® Cl^—), восстановитель и его окисленную форму (Cr₂O₃ ® CrO₄^2—).

· Делим реакцию на две полуреакции – полуреакцию окисления и полуреакцию восстановления, т.е. записываем отдельно выделенные пары. Уравниваем в левой и правой частях каждой полуреакции число атомов элемента, отличающегося от кислорода и водорода (Cr):

Cr₂O₃ ® 2CrO₄^2—

ClO₃^— ® Cl ^—

· При необходимости уравниваем число атомов кислорода (табл.3) и водорода с учётом того, что задана щелочная среда (в исходных веществах присутствует щёлочь КОН):

Cr₂O₃ + 10OH^— ® 2CrO₄^2— + 5H₂O

ClO₃^— + 3H₂O ® Cl^— + 2OH^—

· По изменению степени окисления атомов элементов подсчитываем число отданных и принятых электронов и дописываем их со знаком (+) или (-) в левую часть уравнений полуреакций:

Cr₂O₃ - 6ē + 10OH^— ® 2CrO₄^2— + 5H₂O

ClO₃^— + 6ē + 3H₂O ® Cl^— + 6OH^—

· Проверяем равенство суммарного заряда ионов и электронов в левой и правой частях уравнений полуреакции:

• первая полуреакция (окисления)

;

слева справа

• вторая полуреакция (восстановления)

слева справа

Затем уравниваем число отданных и принятых электронов (ставим наименьшие кратные множители перед уравнениями полуреакций), суммируем уравнения, умножив каждое слагаемое на соответствующий коэффициент:

1 Cr₂O₃ - 6ē + 10(OH)^- = 2CrO₄^2— + 5H₂O

1 ClO₃^— + 6ē + 3H₂O = Cl^— + 6OH^—

Cr₂O₃ + ClO₃^— + 10(OH)^— + 3H₂O = 2CrO₄^2— + Cl^- + 5H₂O + 6(OH)^—

· Приводим подобные члены в суммарном уравнении и по полученному ионному уравнению, где стоят все основные коэффициенты,

Cr₂O₃ + ClO₃^— + 4(OH)^— = 2CrO₄^2—+ Cl^— + 2H₂O,

К⁺ 4К⁺ 4К⁺ К⁺

дописываем молекулярное уравнение:

Cr₂O₃ + KClO₃ + 4KOH = 2K₂CrO₄ + KCl + 2H₂O.

Соблюдая электронейтральность молекул, составляем формулы продуктов реакции подбором для каждого иона противоположно заряженных ионов – противоионов, включая и те, которые не показаны в ионном уравнении (в данной реакции это ионы K⁺, они указаны под ионным уравнением для каждого из ионов снизу от черты).

Аналогично составляют ОВР в других средах, например в кислой среде:

+ + H₂SO₄ ® + Mn²⁺.

5 H₃AsO₃ - 2ē + H₂O = H₃AsO₄ + 2H⁺

2 MnO₄^— + 5ē + 8H⁺ = Mn²⁺ + 4H₂O

5H₃AsO₃ + 5H₂O + 2MnO₄^— + 16H⁺ = 5H₃AsO₄ + 10H⁺ + 2Mn²⁺ + 8H₂O

5H₃AsO₃ + 2MnO₄^— + 6H⁺ = 5H₃AsO₄ + 2Mn²⁺ + 3H₂O

2К⁺ 3SO₄^2— 2SO₄^2— SO₄^2— 2К⁺

5H₃AsO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ = 5H₃AsO₄ + 2MnSO₄ + 3H₂O + K₂SO₄