Лекция 7. Окислительно- восстановительные реакции. Амфотерность. Третья аналитическая группа катионов.

 

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) химические реакции, протекающие с измене-нием степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, реализующихся пу-тём перераспределения электронов между атомом-окислителем и атомом-восстановителем.

Степень окисления (ст.ок.)- условный заряд атома элемента в веществах.

Правила определения степени окисления в веществах:

1. Степень окисления атома элемента в простом веществе равна нулю.

2. Сумма степеней окисления атомов в сложном веществе равна нулю.

3. Степень окисления фтора в любом сложном веществе всегда равна -1.

4. Степень окисления кислорода в сложных веществах равна -2, кроме оксида фтора (+2), перок-сидах (+1).

5. Степень окисления водорода с металлами равна -1, с неметаллами равна +1.

6. Степень окисления металлов главных подгрупп равна +№ группы.

7. Степень окисления неметаллов переменная: высшая равна +№ группы, низшая определяется по формуле – (8-№ группы).

8. В формуле сложного вещества лишь один элемент имеет отрицательную степень окисления, он находится на последнем месте.

В процессе окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдаёт электроны, то есть окисляется; окислитель присоединяет электроны, то есть восстанавливается. Причём любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений — окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.

Окисление — процесс отдачи электронов, с увеличением степени окисления.

При окислении вещества в результате отдачи электронов увеличивается его степень окисления. Атомы окисляемого вещества называются донорами электронов, а атомы окислителя — акцепторами электронов.

Восстановлением называется процесс присоединения электронов атомом вещества, при этом его степень окисления понижается.

При восстановлении атомы или ионы присоединяют электроны. При этом происходит пониже ние степени окисления элемента.

Окислитель и его восстановленная форма, либо восстановитель и его окисленная форма составляет сопряжённую окислительно-восстановительную пару, а их взаимопревращения являются окислительно-восстановительными полуреакциями. В любой окислительно-восстановительной реакции принимают участие две сопряжённые окислительно-восстановительные пары, между которыми имеет место конкуренция за электроны, в результате чего протекают две полуреакции: одна связана с присоединением электронов, то есть восстановлением, другая — с отдачей электронов, то есть окислением.

Виды окислительно - восстановительных реакций:

1) Межмолекулярные — реакции, в которых окисляющиеся и восстанавливающиеся атомы находятся в молекулах разных веществ,

например: Н2S + Cl2 > S + 2HCl

2) Внутримолекулярные — реакции, в которых окисляющиеся и восстанавливающиеся атомы находятся в молекулах одного и того же вещества,

например: 2H2O > 2H2 + O2

3) Диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление) — реакции, в которых один и тот же элемент выступает и как окислитель, и как восстановитель,

например: Cl2 + H2O > HClO + HCl

4) Репропорционирование — реакции, в которых из двух различных степеней окисления одного и того же элемента получается одна степень окисления,

например: NH4NO3 > N2O + 2H2O.

Амфотерность — способность некоторых соединений проявлять в зависимости от условий как кислотные, так и основные свойства.

Амфотерны гидроксиды таких элементов главных подгрупп, как бор, алюминий, галлий, мышьяк, сурьма, селен и др., таких элементов побочных подгрупп как хром, цинк, молибден, вольфрам и многих других. Обычно в химическом поведении гидроксидов преобладает или кислотный, или основный характер.

Например, гидроксид цинка Zn(OH)2, обладая кислотными свойствами выступает как цинковая кислота H2ZnO2:

Zn(OH)2+ 2HCl= ZnCl2+ 2H2O; образуется средняя соль хлорида цинка

К третьей группе относят катионы Zn2+, Al3+, Cr3+, Fe3+, Fe2+, гидроксиды которых проявляют амфотерные свойства. Групповым реактивом является водный раствор сульфида аммония (NH4)2S. Гидроксиды катионов III группы растворяются в избытке щелочи и переходят в раствор в виде комплексных ионов Zn(OH)42–, А1(ОН)4–, Сr(ОН)4–, Sn(OH)42–, Sn(OH)62– (при иной форме записи реакций эти ионы записывают соответственно ZnO22–, AlO2–, CrO2–, SnO22–, SnO32–). Эти анионы устойчивы только в сильнощелочной среде. В кислой среде ионы III группы существуют в виде гидратированных катионов Zn2+, A13+, Cr3+, Sn2+, Sn4+. Соли катионов III группы подвергаются гидролизу, при этом соли катионов А13+ и Сг3+ и очень слабых летучих кислот (сульфиды, карбонаты) гидролизуются полностью и не могут существовать в водных растворах. Хлориды, нитраты, сульфаты катионов III группы растворимы в воде. Соединения катионов Zn2+, Al3+, Sn2+, Sn4+ бесцветны, все соединения хрома окрашены в цвет соответствующего иона: CrO42– – желтого цвета, Сr2О72– – оранжевого, Сr3+ – сине-зеленого. Железо является важнейшим микроэлементом, принимает участие в дыхании, кроветворении, иммунобиологических и окислительно-восстановительных реакциях, входит в состав более 100 ферментов, является незаменимой составной частью гемоглобина и миогемоглобина. Основными источниками железа служат: крупа, печень, мясо.

Наличие микроэлемента цинка в организме человека способствует нормальному протеканию процессов развития костной ткани, стимулирует рост и деление клеток, регенерацию тканей, репродуктивную функцию, развитие мозга. Цинк содержится в яблоках, апельсинах, лимо-нах, инжире, грейпфрутах, зеленых овощах, черной смородине малине, большинстве овощей, мясе большинства морских рыб, постной говядине, молоке, очищенном рисе, хлебе.

Действие алюминия на организм до конца не выяснено, но установлено, что он способствует развитию и регенерации эпителиальной, соединительной и костной ткани. Алюминий входит в состав препаратов (Альмагель, Маалокс и др.), применяемых при гиперацидном гастрите, язвенной болезни желудка и двенадцатитиперстной кишки. Эти препараты обладают антацидной активностью (снижают кислотность желудочного сока) и обволакивающим действием, способствуя защите слизистой оболочки желудка. Однако, за счет обволакивающего действия нарушается всасывание из пищи минеральных веществ, при длительном приеме одного из препаратов может развиться недостаточность фосфора.

Не рекомендуется хранить блюда с кислой средой (борщ, щи, свекольник, кислая капуста и др.) в алюминиевой посуде из- за химической активности алюминия.

Хром жизненно необходим организму, т.к. входит в состав всех клеток, способствует усвоению сахара, транспортировке белков, регулирует углеводный обмен, уровень холестерина в крови, нормализует работу щитовидной железы, выводит токсины и соли тяжелых металлов. Основны-ми источниками хрома являются пивные дрожжи, печень, отварной картофель в кожуре, хлеб грубого помола, свежие овощи, сыр, куриное мясо, проросшие зерна пшеницы, морепродукты, зернобобовые, яблоки, виноград, сливы, вишня, черника, облепиха, рябина и др.

Марганец принимает участие во многих жизненно важных процессах в организме: нормализация работы нервной системы, работе иммунной системы.. Содержится в зерновых (пшеница, рожь, греча, пшено, рис, овес), укропе, фасоли, горохе, малине, черной смородине, землянике, моркови, шпинате, петрушке, зеленом чае, орехах.

Вопросы для самопроверки:

1. Чем отличаются химико – аналитические свойства катионов III группы от свойств катионов I и II групп?

2. В виде каких соединений переходят в осадок катионы III группы при действии сульфида аммония (NH4)2S в присутствии гидроксида аммония NH4OH? Подтвердите уравнениями реакций.

3. Гидроксиды каких катионов обладают амфотерным характером? Какими свойствами обладает амфотерный гидроксид? Подтвердите уравнениями реакций.

4. Как отделить катион Zn2+ от катиона Al3+? Подтвердите уравнениями реакций.

5. Как отделить катион Mn2+ от катиона Al3+? Подтвердите уравнениями реакций.

6. Составить схему разделения и открытия катионов: Fe3+, Mn2+, Zn2+. При разделении предложить наименьшее количество операций.

7. Какие процессы называются окислительными и какие восстановительными? Разберите окислительно-восстановительные уравнения реакций: