Примеры решения задач. Пример. Вычислите степень окисления азота в молекуле азотной кислоты

Пример. Вычислите степень окисления азота в молекуле азотной кислоты. Определите, окислителем или восстановителем является HNO₃.

 

Решение. Обозначим степень окисления азота через х. Расставим степени окисления водорода (+1) и кислорода (-2): H⁺N^xO₃^-2.

Составим уравнение, умножая степени окисления на число атомов в молекуле азотной кислоты:

(+1) × 1 + х + (-2) × 3 = 0.

Находим х = + 5. Ответ: степень окисления азота равна +5.

НNO₃ проявляет только окислительные свойства, так как азот в данном соединении имеет максимально положительную степень окисления +5 (равна номеру группы, в которой находится азот). Увеличить ее N⁺⁵ не может, отдавать оставшиеся электроны энергетически невыгодно.

Вывод: если элемент в соединении имеет высшую степень окисления, он является только окислителем, в низшей степени – только восстановителем, в промежуточной – и окислителем, и восстановителем.

Основные типы окислительно-восстановительных реакций (ОВР)

К межмолекулярным относятся реакции, в которых окислитель и восстановитель находятся в разных веществах. Например, в реакции алюминия с азотной кислотой:

 

8 Al⁰ + 30 HN⁺⁵O_3разб. = 8 Al⁺³(NO₃)₃ + 3 N⁺¹₂O + 15 H₂O

Al – восстановитель, HNO₃ – окислитель.

 

К внутримолекулярным относятся реакции, в которых окислитель и восстановитель находятся в одном и том же веществе:

 

2 KCl⁺⁵O₃^-2 = 2 KCl^-1 + 3 O₂⁰

 

В этой реакции атом хлора (окислитель) и атом кислорода (восстановитель) входят в состав одного и того же вещества KClO₃.

Среди внутримолекулярных реакций выделяют реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления). Атом одного и того же элемента является и окислителем и восстановителем:

 

Cl₂⁰ + H₂O = HCl⁺¹O + HCl^-1

 

В этой реакции часть атомов хлора восстанавливается, изменяя степень окисления от 0 до -1, а другая часть окисляется от 0 до +1.

Все химические реакции протекают в соответствии с законом сохранения массы и энергии. В ходе окислительно-восстановительных реакций число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых окислителем (закон сохранения зарядности). Полные уравнения окислительно-восстановительных реакций можно составить с помощью методов: а) электронного и б) электронно-ионного балансов.

а). Метод электронного баланса основан на сравнении степеней окисления атомов в исходных и конечных веществах. Сущность этого метода можно уяснить на следующем примере.

Пример. Составить электронные уравнения для реакции, протекающей по схеме:

 

KMnO₄ + H₃PO₃ + H₂SO₄ ® MnSO₄ + H₃PO₄ + K₂SO₄ + H₂O

 

1). Расставляем степени окисления атомов.

 

K⁺¹Mn⁺⁷O₄^-2 + H₃⁺¹P ⁺³O₃^-2 + H₂ ⁺¹S⁺⁶O₄^-2 = Mn⁺²S⁺⁶O₄^-2 + H₃ ⁺¹P⁺⁵O₄^-2 + K₂ ⁺¹S⁺⁶O₄^-2 + H₂ ⁺¹O^-2

 

2). Выписываем элементы, атомы или ионы которых изменяют степени окисления, такими элементами являются Mn и P.

3). Составляем электронные уравнения, то есть схемы изменения зарядов атомов в левой и правой частях реакции:

 

P³⁺ - 2e^- ® Р⁵⁺ ½ 5, процесс окисления

Mn⁷⁺ +5e^- ® Mn²⁺ ½ 2, процесс восстановления

 

4). Общее число электронов, которые присоединяет окислитель, должно быть равно числу электронов, которые отдает восстановитель. Общее наименьшее кратное для отданных и принятых электронов - десять. Делим число 10 на число принятых электронов марганцем и на число отданных электронов фосфором, получим коэффициенты: для марганца - 2, а для фосфора – 5.

5). Найденные коэффициенты 2 и 5ставим перед формулами соединений восстановителя и окислителя.

Уравниваем количество ионов калия в правой и левой частях уравнения, подсчитываем число ионов SO₄^2- в правой части, ставим коэффициент 3 перед формулой H₂SO₄. Уравниваем число атомов водорода в правой части уравнения, ставим коэффициент 3 перед формулой H₂O.

Молекулярное уравнение реакции будет иметь вид:

 

2KMnO₄ + 5H₃PO₃ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + 5H₃PO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

 

6). Проводим проверку по количеству атомов кислорода. Вступило в реакцию 35 атомов кислорода. В продуктах реакции атомов кислорода 35. Следовательно, реакция записана, коэффициенты расставлены правильно.

б). Метод электронно-ионного баланса применим к окислительно-восстановительным реакциям, протекающим в водных растворах. Он основан на составлении электронно-ионных балансов двух полуреакций: одной - для процесса окисления и другой – для процесса восстановления. Затем проводится суммирование этих полуреакций. В результате получается общее ионно-молекулярное уравнение окислительно-восстановительной реакции.

Пример. Используя метод электронно-ионного баланса, расставим коэффициенты в уравнении реакции:

 

Cu + HNO₃ (конц.) ® Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O.

 

Решение. Уравнение первой полуреакции – окисление восстановителя:

 

Cu – 2e^- ® Cu²⁺.

 

Уравнение второй полуреакции – восстановление окислителя – составили так: ион NO₃^- превращается в NO₂, то есть один атом кислорода в кислой среде связывается с ионами водорода с образованием воды:

 

NO₃^- + 2H⁺ ® NO₂ + H₂O.

 

Уравняв число зарядов, получим:

 

NO₃^- + 2H⁺ + e^- ® NO₂ + H₂O.

 

Составляем суммарное ионно-молекулярное уравнение:

 

Cu – 2e^- ® Cu²⁺ ½ 1

NO₃^- + 2H⁺ + e^- ® NO₂ + H₂O ½ 2

Сu + 2 NO₃^- + 4H⁺ ® Cu²⁺ + 2NO₂ +2H₂O.

 

Правильность составленного уравнения проверяется по балансу числа атомов и зарядов в левой и правой частях уравнения.

Уравнение реакции в молекулярной форме имеет вид:

 

Сu +4HNO₃ (конц.) ® Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ +2H₂O.