окислительно-восстановительные реакции (овр).

Электрохимия

опыт 1. Окислительные и восстановительные свойства сернистой

кислоты

а) Уравнение реакции: H₂SO₃ + …H₂S = ….S↓ + ….H₂O

Электронные уравнения:

________________________________________________- процесс восстановления;

_________________________________________________- процесс окисления.

 

Окислитель -………..восстановитель -……………….

 

б) Уравнение реакции:...Н₂SOз +...I₂ +... Н₂O =... Н₂SО₄ + ….HI

Электронные уравнения:

________________________________________________- процесс восстановления;

________________________________________________- процесс окисления.

Окислитель -........................ восстановитель -……………....

S находится в группе периодической системы. Высшая степень окисления ее - ……, низшая -…... Степень окисления S в Н₂SО₃ -

Выводы…………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

 

опыт 2. Взаимодействие азотной кислоты с медью

 

а) Схема взаимодействия концентрированной НNОз с металлами:

 

HNОз + Ме => NO₂ ↑+ Мe(NO₃)_п + Н₂O

 

(Здесь и в Опыте 2(б) при составлении уравнений реакций учтите, что НNO₃ расходуется не только на окисление металла, но и на образование соли Ме(NO₃)_n)

 

 

Элементы теории, примеры зачетных задач

Для составления ОВР наиболее простым является метод электронного баланса. В этом методе рассматривается перераспределение электронов между гипотетическими ионами, заряд которых равен соответствующим степеням окисления. Сущность метода электронного баланса состоит в том, что число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем.

Пример 9. ОВР протекает по схеме:

Nа₂SO₃ + К₂Сr₂O₇ + Н₂SO₄ ®Nа₂SO₄ + Сr₂(SO₄)₃ + К₂SO₄ + Н₂O.

Укажите: а) окислитель и восстановитель; б) какое вещество окисляется, какое вещество восстанавливается. Составьте электронные уравнения и на основании их расставьте коэффициенты в уравнении реакции.

 

Решение

В схеме реакции расставим изменяющиеся СО:

+4 +6 +6 +3

Nа₂SO₃ + К₂Сr₂O₇ + Н₂SO₄ ®Nа₂SO₄ + Сr₂(SO₄)₃ + К₂SO₄ + Н₂O.

Определим характер процессов:

S⁺⁴ ® S⁺⁶ - увеличение СО; процесс окисления;

Сr⁺⁶ ® Сr⁺³ - уменьшение СО; процесс восстановления.

S⁺⁴ (Nа₂SO₃) - восстановитель, Сr⁺⁶(К₂Сr₂O₇) - окислитель.

Составляем электронные уравнения:

S⁺⁴ - 2ē = S⁺⁶ - процесс окисления;

Сr⁺⁶ + Зē = Сr⁺³ - процесс восстановления.

Поскольку число электронов, отдаваемых восстановителем, должно равняться числу электронов, принимаемых окислителем, умножим электронные уравнения на соответствующие коэффициенты:

3| S⁺⁴ - 2ē = S⁺⁶

2 | Сr⁺⁶ + 3ē = Сr⁺³

Подставляем эти коэффициенты в схему реакции:

3Nа₂SO₃ + К₂Сr₂O₇ + Н₂SO₄ ®3Nа₂SO₄ + Сr₂(SO₄)₃ + К₂SO₄ + Н₂O.

Находим подбором и расставляем остальные коэффициенты:

3Nа₂SO₃ + К₂Сr₂O₇ + 4Н₂SO₄ ®3Nа₂SO₄ + Сr₂(SO₄)₃ + К₂SO₄ + 4Н₂O.

Окончательная проверка правильности написания уравнения проводится по балансу атомов кислорода: 3•3+7+4•4 = 3•4+4•3+4+4;

32 = 32

 

Уравнение реакции:...HNO_3(конц) +.... Cu = ………………………………

Электронные уравнения:

________________________________________________- процесс восстановления;

________________________________________________- процесс окисления.

Окислитель -........................ восстановитель -……………....

 

б) Схема взаимодействия разбавленной НNО₃ с металлами:

 

НNО₃ + Me =>

 

 

Уравнение реакции:...HNO_3(разб) +.... Cu = ……………………………………

Электронные уравнения:

________________________________________________- процесс восстановления;

________________________________________________- процесс окисления.

Окислитель -........................ восстановитель -……………....

 

Выводы:

Какой элемент в HNO₃ является окислителем? Укажите степень его окисления……….

 

Почему HNO₃ проявляет только окислительные свойства?................................................................................................................................

 

Может ли при восстановлении НNО₃ выделяться Н₂?

 

опыт 3. Медно-цинковый гальванический элемент

Схема гальванического элемента:

 

(-)………|…………………..||…………….|…………(+)

E⁰Cu²⁺/Cu=……B; E⁰ Zn²⁺/Zn=………B; C (Cu²⁺) = C(Zn²⁺) = 1 моль/л

Процессы на электродах:

(A)……………………………………………. – процесс …………………..

(K)…………………………………………… - процесс ……………………

……………………………………………….. – ионно-молек. уравнение

……………………………………………….. – молекулярное уравнение

ЭДС = E₍₊₎ – E_(-) = ………………………………………………………………..

 

Элементы теории, примеры зачетных задач

Устройства, в которых энергия химической реакции выделяется в виде электрической, называются гальваническими элементами.

Пример 10. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, суммарные ионно-молекулярное и молекулярное уравнения этих процессов, протекающих в гальваническом элементе, схема которого: Ni | NiSO₄|| СuSO₄| Сu, если С(Сu²⁺)=С(Ni²⁺)=1 моль/л

Вычислите величину электродвижущей силы (ЭДС).

Решение

При концентрациях ионов металлов, равных 1 моль/л, на металлических электродах устанавливаются стандартные электродные потенциалы: Е°Сu²⁺/Сu =+0,34В; Е°Ni²⁺/№ =- 0,25В

На электроде, имеющем меньший потенциал, происходит отдача электронов, т.е. окисление. Этот электрод называется анодом. Поскольку Е_Ni²⁺_/Ni < Е_Cu²⁺_/Cu> анодом является никелевый электрод.

На электроде, имеющем больший потенциал, происходит принятие электронов, т.е. восстановление. Этот электрод называется катодом. Им является медый электрод.

Процессы, протекающие в гальваническом элементе:

Анод: Ni - 2ē = Ni²⁺

Катод: Сu²⁺ + 2ē = Сu

______

Ионно-молекулярное уравнение: Ni + Сu²⁺ = Ni²⁺ + Сu;

Молекулярное уравнение: Ni + СuSO₄= NiSO₄+Сu.

ЭДС=Е_(Кат)-Е_(Ан) = 0,34 - (-0,25) = 0,59 В.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Коррозией называется самопроизвольный процесс разрушения металлов и сплавов в результате их окисления окружающей средой.

Поскольку коррозия является окислительно-восстановительным процессом, вероятность ее протекания тем больше, чем больше разность потенциалов систем окислителя и восстановителя, Е_ок-Е_восст, т.е. чем больше алгебраическое значение Е_ок и меньше Е_восст - Восстановителем при коррозии является металл. Корродировать в первую очередь будет более активный металл, имеющий меньший потенциал. Окислителем (деполяризатором) в процессе коррозии выступает тот компонент окружающей среды, который имеет больший потенциал.

 

 

опыт 4. Защитные свойства металлических покрытий

Качественная реакция на ион Fе ²⁺:

3 Fе²⁺ +2[Fе(СN)₆]^3- = Fе₃[Fе(СN)₆]₂↓ (синий)

При коррозии с каким покрытием железа - цинковым или оловянным (луженым) - качественной реакцией открыт ион Fе²⁺?

…………………………………………………………………………………………..

а) Оцинкованное железо.

Соотношение потенциалов: (Е°Fе²⁺/Fе =…................... В)……………(Е°Zn²⁺/Zn =............................................................ ………В),

следовательно, анод -........... …….., катод -…………. Процессы:

(А)..................... ………………......................... - процесс

(К)......................................... ……………….….- процесс

..................................................... ………………………ионно-молек. уравнение

........................................................ …………………..- молекулярное уравнение

 

б) Луженое железо.

Соотношение потенциалов: (Е°Fе²⁺/Fе =... В)................. (Е°Sn²⁺/Sn = ……В),

следовательно, анод -..........., катод -................. Процессы:

(А).................................. ……………............................... - процесс

(К)......................................... ……………………………- процесс

........................................................ - ионно-молек. уравнение

....................................................... - молекулярное уравнение

Выводы:

Какое из покрытий катодное, какое - анодное?.....................

Какое покрытие более надежное?.........................

Какое покрытие при хорошем качестве более долговечно?.

 

опыт 5. Электролиз раствора иодида калия

	(+)     Е°I2/2I-= +0,54 B   Е°O2/2H2O= + 1,23 B

K+

(-)

Е° K⁺/K = ….B

		H2O

 

Е°2H₂O/H₂= - 0,41B

 

На катоде (-) протекает процесс восстановления, характеризующийся большим потенциалом: ………………………………………………………………………….

 

Элементы теории, примеры зачетных задач

 

Пример 11. Какие процессы будут протекать при коррозии луженой (покрытой оловом) меди в месте нарушения покрытия? Составьте уравнения анодного и катодного процессов и результирующее (суммарное) уравнение процесса коррозии в следующих средах: а) во влажном воздухе; б) в растворе хлороводородной кислоты.

 

Решение

Более активным восстановителем является олово, т.к. Е⁰Sn²⁺/Sn = - 0,14В < Е°Cu²⁺/Cu = +0.34 В, поэтому, в первую очередь, корродирует олово. Покрытие анодное.

 

а) Во влажном воздухе окислителем является кислород. Олово (анод) будет окисляться, а на меди (катоде) будет восстанавливаться кислород:

(А) Sn-2е = Sn²⁺ |2

(К) O₂+4е+2Н₂O=4OH^- | 1

2Sn+O₂+2Н₂O=2Sn(OН)₂↓

Продуктом коррозии является труднорастворимый гидроксид олова.

 

б) Несмотря на то, что потенциал кислорода больше, чем иона водорода в растворе кислоты, доступ кислорода к поверхности катода (меди) ограничен из-за его малой растворимости и медленной диффузии. В кислом растворе Е_окис- Е°2Н⁺/Н₂= 0 В > Е_восст=Е°Sn²⁺/ Sn = -0,14 В и окислителем является ион водорода. Уравнения процессов:

(А) Sn -2е = Sn²⁺

(К) 2Н⁺+2е = Н₂

Sn + 2Н⁺ = Sn²⁺ + Н₂, или Sn + 2НСl = SnСl₂ + Н₂.

 

Электролиз - это совокупность процессов раздельного окисления и восстановления на электродах, осуществляемых в растворах или расплавах электролитов за счет протекания через них постоянного электрического тока от внешнего' источника. В отличие от гальванического элемента при электролизе катод заряжен отрицательно, а анод - положительно.

 

На катоде протекают процессы восстановления, поэтому в первую очередь восстанавливаются наиболее сильные окислители, то есть катионы, имеющие в данных условиях больший потенциал.

 

На аноде (+) протекает процесс окисления, характеризующийся меньшим потенциалом: …………………………………………………………………….

У какого электрода наблюдается буро-желтое окрашивание?

У какого электрода обнаружена щелочная среда? Почему?

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

 

опыт 6. Электролиз раствора сульфата меди

 

а) с угольным анодом:

		(+)     S+6 – высшая степень окисления   Е°O2/2H2O= + 1,23 B

Cu2+

(-)

Е° Cu²⁺/Cu = ….B

		H2O

 

Е°2H₂O/H₂= - 0,41B

 

Процесс на катоде: (-).... *.........

Процесс на аноде:(+)........тт.....

(На аноде окисление серы в 8О4²" - ионе невозможно, т.к. степень окисления серы в нем высшая,+6).

 

б) с медным анодом:

 

		S+6 – высшая степень окисления   Е°O2/2H2O= + 1,23 B Е° Cu2+/Cu = ….B

Cu2+

(-)

Е° Cu²⁺/Cu = ….B

		H2O

 

Cu2+

Е°2H₂O/H₂= - 0,41B

 

Процесс на катоде: (-). …………………………………………………

На аноде протекает процесс окисления, характеризующийся меньшим потенциалом: (+)……………………………………………………………………………….

 

Дата: Подпись преподавателя:

Элементы теории, примеры зачетных задач

На аноде протекают процессы окисления, поэтому в первую очередь окисляются наиболее сильные восстановители, имеющие в данных условиях меньший потенциал.

Пример 12. Составьте уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водного раствора К₂SО₄ в электролизерах:

а) с угольными электродами; б) с висмутовыми электродами.

 

Решение

а) На катоде в первую очередь протекает восстановление наиболее сильных окислителей, характеризующихся большим потенциалом. К отрицательно заряженному катоду движутся катионы К⁺, которые могли бы восстанавливаться до металлического калия (Е⁰к⁺/к^:=-2,92В), и полярные молекулы воды, которые могли бы восстанавливаться до водорода (Е°2H⁺/Н₂=0_,00В при рН=0; Е⁰2Н₂O/Н₂=- 0,41В при рН=7). Поскольку Е2H⁺/H₂^> Е⁰K⁺/K= то на катоде восстанавливается вода: 2Н₂0 + 2е= Н₂+2OН^-

К положительно заряженному аноду движутся анионы SО₄^2- и полярные молекулы воды. В сульфат-ионе сера находится в высшей степени окисления (+6), поэтому дальнейшее окисление серы невозможно. В данных условиях протекает единственно возможный процесс - окисление воды до кислорода:

2Н₂O - 4е = O₂ + 4H⁺.

б) На висмутовом аноде кроме окисления воды возможно окисление висмута - материала анода. На аноде протекает, в первую очередь, окисление наиболее сильных восстановителей, характеризующихся меньшим потенциалом. Поскольку Е⁰Bi³⁺/Bi= +0,22 В В < Е о₂/н₂O=+1,23 В, то окисляться будет материал анода: Вi-3е = Вi³⁺.

В растворе появляются ионы Вi³⁺. Они и восстанавливаются на катоде, так как их потенциал больше, чем потенциал иона калия или иона водорода из воды: Вi³⁺ + 3е = Вi

________

Комплексными называются такие соединения, в узлах кристаллической решетки которых находятся сложные комплексные ионы (комплексы), способные к самостоятельному существованию в растворе.

 

 

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ №4

КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ d ЭЛЕМЕНТОВ

ОПЫТ 1. Диссоциация комплексных и двойных солей

Качественная реакция иона Fе³⁺: Fе ³⁺ + 3SCN^- = Fе(SCN)₃ (красный).

В растворе какой соли – NH₄Fe(SO₄)₂ или К₃Fе(СN)₆ – обнаружен ион Fе³⁺?

…………………………………………………………………………………………….

Исходя из этого, напишите уравнения диссоциации солей:

NН₄Fe(SO₄)₂.......................................................

К₃Fе(СN)₆.........................................................

Какая из них комплексная, какая двойная? (В комплексной соли выделите комплексный ион квадратными скобками.)………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Диссоциация комплексного иона: …………………………………………………….

Константа нестойкости: К_н=

 

ОПЫТ 2. Получение и разрушение комплексного иона [Аg(NH₃)₂]⁺

Получение осадка хлорида серебра:

Молекулярное уравнение:... АgNО₃ +...NаСl =............... ……………………….

Ионно-молекулярное уравнение:........................... ……………………………..

 

Получение комплексного соединения:

Молекулярное уравнение:... АgСl↓ + …..NН₃ =.............. ………………………..

Ионно-молекулярное уравнение:........................... ………………………………….

 

Схема разрушения комплексного иона:

[Аg(NН₃)₂]⁺ Аg⁺ + 2NН₃

(1) + `` +

S^2- Н⁺

↓(3) ↓(2)

Аg₂S↓ NН₄⁺

За счет процесса (2) уменьшается концентрация лиганда NH₃, что по принципу Ле Шателье приводит к смещению равновесия (1) вправо, т.е. к разрушению комплексного иона. За счет процесса (3) уменьшается концентрация комплексообразователя Аg⁺, что приводит к аналогичному результату.

 

 

Элементы теории, примеры зачетных задач

 

Пример 13. Составьте формулы соли с комплексным анионом и соли с комплексным катионом из следующих ионов и молекул: Nа⁺; Сd²⁺; СN^-; NН₃; Сl^-. Координационное число комплексообразоватсля равно 4. Напишите уравнения диссоциации каждой из этих солей и каждого из комплексных ионов. Приведите выражения для констант нестойкости комплексных ионов.

 

Решение

 

Наиболее сильными комплексообразователями являются катионы d-элементов. Таковым из приведенного перечня является катион Сd²⁺. Комплексный ион состоит из комплексообразователя и лигандов. Чтобы образовался комплексный анион, лигандьх должны быть анионами. Это анионы СN^-, образующие более прочные комплексы, чем Сl^-. Число лигандов, связанных с комплексообразователем, равно координационному числу. Формула комплексного аниона [Сd(СN)₄]^2- (Заряд комплексного иона равен сумме зарядов комплексообразователя и лигандов: +2 + 4•(-1) = -2.) Ионы внешней сферы должны быть катионами с суммарным зарядом +2. Это два иона Nа⁺ Формула комплексного соединения Nа₂[Сd(СN)₄]. Диссоциация комплексного соединения происходит по типу сильного электролита, т.е. нацело и необратимо, на ионы внешней сферы и комплексный ион: Nа₂[Сd(СN)₄] = 2Nа⁺+ [Сd(СN₄]^2-.

Диссоциация комплексного иона происходит в очень незначительной степени, по типу слабых электролитов» обратимо на комплексообразователь и лиганды: [Сd(СN)₄]^2- <=> Сd²⁺+ 4СN^- Константа нестойкости является константой диссоциации комплексного иона. Она равна: К_н = [Сd²⁺][СN^-]⁴/[[Сd(СN)₄]^2-].

Чтобы образовался комплексный катион, лиганды должны быть нейтральными молекулами. Таковыми из приведенного перечня являются молекулы аммиака NН₃. Формула комплексного соединения [Сd(NН₃)₄]Сl₂. Уравнение диссоциации комплексного соединения: [Сd(NН₃)₄]Сl₂= [Сd(NН₃)₄]²⁺ + 2Сl^-.

Диссоциация комплексного иона: [Сd(NН₃)₄]²⁺<=> Сd²⁺+ 4NН₃

Константа нестойкости: К_н = [Сd²⁺][ NН₃]⁴/[[Сd(NН₃)₄]²⁺].

 

 

Молекулярное уравнение:... [Аg(NН₃)₂]Сl +...HNO₃= ………………………………..

Ионно-молекулярное уравнение:……………………………………………………….

Молекулярное уравнение:... [Аg(NН₃)₂]Сl +...Na₂S = ………………………………..

Ионно-молекулярное уравнение:……………………………………………………….

 

В каком ионе, [Аg(NН₃)₂]⁺ или NН₄⁺, прочнее связана молекула NН₃? ……………………………………………………………………………………..

В ионе [Аg(NН₃)₂]⁺ или осадке Аg₂S прочнее связан ион Аg⁺?

 

опытз. Восстановительные свойства соединений хрома (III) в щелочной среде

При добавлении к раствору соли хрома избытка раствора щелочи образующийся вначале амфотерный гидроксид Сr(ОН)₃ растворяется:

...Сr₂(SO₄)₃+….Nа0Н =….Nа₃[Сr(OН)₆]+….Nа₂SO₄.

Ионно-молекулярное уравнение:.........................................

 

Уравнение реакции:

=….Nа₃[Сr(OН)₆] + ….. Н₂O₂ = …. Na₂CrO₄ + ….NаОН + …. Н₂O

 

Электронные уравнения:

................................ …………………………- процесс восстановления;

................................. ………………………………- процесс окисления.

Окислитель -........... ……......; восстановитель -…………………………….....

 

 

опыт 4. Окислительные свойства соединений хрома (VI) в кислой среде

Уравнение реакции

... К₂Сr₂O₇+ …. КNO₂+…..Н₂SO₄ =... Сr₂(SO₄)з+….КNO₃+... К₂SO₄+….Н₂O

Электронные уравнения:

…………………………- процесс восстановления;

………………………………- процесс окисления.

Окислитель - …………….......; восстановитель -…………………………….....

 

Могут ли хромат натрия Nа₂СrO₄ и дихромат калия К₂Сr₂O7 проявлять восстановительные свойства? Почему?.................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

 

Для заметок.

 

опыт 5. Окислительные свойства перманганат-иона в различных средах

Схема восстановления перманганат-иона в зависимости от среды:

а) Кислая среда. Уравнение реакции:

…KMnO₄+….Na₂SO₃ +….H₂SO₄ = ……………………………………………….

Электронные уравнения:

…………………………………….………………- процесс восстановления;

……………………………………..……………………- процесс окисления.

Окислитель - …………….......; восстановитель -…………………………….....

 

б) Нейтральная среда. Уравнение реакции:

…KMnO₄+….Na₂SO₃ +….H₂O = ……………………………………………….

Электронные уравнения:

…………………………………….………………- процесс восстановления;

……………………………………..……………………- процесс окисления.

Окислитель - …………….......; восстановитель -…………………………….....

 

в) Сильнощелочная среда. Уравнение реакции:

…KMnO₄+….Na₂SO₃ +….KOH = ……………………………………………….

Электронные уравнения:

…………………………- процесс восстановления;

………………………………- процесс окисления.

Окислитель - …………….......; восстановитель -…………………………….....

 

Дата: ………………….. Подпись преподавателя:

 

 

 

 

Студент(ка).......................................................................факультета

Ф.И.О………………………………………………………………..

(шифр ……………………..)

лабораторный практикум по химии выполнил(а) полностью.

 

 

Дата: ………………….. Подпись преподавателя: