Тема 1.10. Окислительно-восстановительные реакции.

Содержание учебного материала: Окисление и восстановление. Степень окисления.Правила вычисления степени окисления. Классификация ОВР. Методы расстановки коэффициентов.

Основные понятия: электроотрицательность, валентность, степень окисления, окисление и восстановление

Основные законы химии: Периодический закон Д.И. Менделеева.

Методические рекомендации: При изучении темы необходимо отметить типы окислительно-восстановительных реакций. Обратите внимание на процедуру определения степени окисления элемента.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Основные понятия теории окислительно-восстановительных реакций:

1.Окисление - процесс отдачи электронов; степень окисления при этом повышается.

Al⁰ - 3ē → Al⁺³

2.Восстановление - процесс присоединения электронов; степень окисления при этом понижается.

S⁰ +2ē → S^-2

3. Окислитель – вещество, в состав которого входит элемент, способный принимать электроны.

4.Восстановитель – вещество, в состав которого входит элемент, отдающий электроны.

5. Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исход из предположения, что соединение состоит только из ионов.

 

Составление уравнений методом ионно-электронного баланса

Ионно-электронный метод составления уравнений окислитель-но-восстановительных реакций имеет преимущество перед электронным методом. Преимущество таких систем в том, что они показывают не только изменение степени окисления участвующих в реакциях атомов элементов (см. учебник:А.П.Крешков, ч.1, с.180…183 или С.А.Шапиро, с.121…124), но и изменения состава участвующих в реакциях ионов или молекул.

 

Пример 1. Составить уравнение окислительно-восстановительной

               реакции: 

Cr(NO₃)₂ + (NH₄)₂S₂O₃ + … → H₂Cr₂O₇ + (NH₄)₂SO₄ + …

 

Решение

Схема реакций в ионной форме:

Cr³⁺ + S₂O₈^2- + … → Cr₂O₇^2- + SO₄^2- + …

Записываем схемы превращения ионов: Сr₂O₇^2- и S₂O₈^2-.

Рассмотрим превращение Cr³⁺ в Cr₂O₇^2-.

Из простого иона Cr³⁺ получаем кислородсодержащий ион Cr₂O₇^2-. Этот кислород может быть получен из воды. Поэтому в левой части уравнения приходится брать столько молекул воды, сколько атомов кислорода требуется для образования данного кислородсодержащего иона. С водой мы добавим и водород, который останется после отнятия кислорода и мы его записываем в правую часть уравнения в виде иона. Таким образом, мы уравниваем число атомов всех элементов:

2Cr³⁺ + 7H₂O → Cr₂O₇^2- + 14H⁺.

После уравнивания числа атомов необходимо составить баланс зарядов ионов путём алгебраического подсчёта:

2Cr³⁺ + 7H₂O → Cr₂O₇^2- + 14H⁺

     2·(+3)       0            (-2)       14(+1)

            +6                    +12

Баланс зарядов достигается отнятием от левой части уравнения 6 электронов: 

2Cr³⁺ + 7H₂O – 6ē → Cr₂O₇^2- + 14H⁺

Таким образом, мы составили реакцию окисления иона Сr³⁺.

Рассмотрим превращение иона S₂O₈^2- в SO₄^2-.

Для баланса атомов необходимо ион S₂O₈^2- умножить на 2:

S₂O₈^2- → 2SO₄^2-.

При подсчёте суммы зарядов оказывается, что в левой части имеется заряд минус 2, в правой -4. Следовательно, баланс зарядов достигнется, если к левой части уравнения добавить 2 электрона. Уравнение примет вид: S₂O₈^2- + 2ē → 2SO₄^2-, ион S₂O₈^2- - принимает электроны и восстанавливается.

Суммируем оба уравнения:

1 2Cr³⁺ + 7H₂O - 6ē → Cr₂O₇^2- + 14H⁺                    

2 S₂O₈^2- + 2ē → 2SO₄^2-

   2Cr³⁺ + 3S₂O₈^2- + 7H₂O = Cr₂O₇^2- + 6SO₄^2- + 14H⁺

Найденные коэффициенты подставим в молекулярное уравнение

уравнение:

2Cr(NO₃)₂ + 3(NH₄)₂S₂O₈ + 7H₂O = H₂Cr₂O₇ + 3(NH₄)₂SO₄ + 3H₂SO₄ + 6HNO₃

 

Чтобы узнать, в каком направлении будет протекать данная окислительно-восстановительная реакция, следует воспользоваться таблицей нормальных окислительно-восстановительных потенциа-лов (см. учебник А.П.Крешкова «Качественный анализ», с.188…189), сравнить нормальные потенциалы (Е º или в некоторых учебниках φ º) систем, участвующих в данной реакции. Система с большим нормальным потенциалом будет окислителем, с меньшим – восстановителем.

 

Пример 2. В каком направлении должна протекать приведённая

              нижереакция:KMnO₄+FeSO₄+…→MnSO₄+Fe₂(SO₄)₃+…

 

Решение

В данной реакции участвуют две окислительно-восстановитель-ные системы:   и  .

По таблице потенциалов находим:

E º_MnO4ֿ/Mn2+ = +1,52B; E º_Fe3+_/Fe2+ = +0,77B.

Следовательно, в данной реакции перманганат будет являться окислителем и окислит Fe²⁺ до Fe³⁺. Но Fe³⁺ не может окислить Mn²⁺ до MnO₄^-, т.е. данная реакция практически не может протекать слева направо, но не наоборот.

Разность между величинами нормальных потенциалов систем, участвующих в реакции, называется электродвижущей силой (э.д.с.) реакции. Чем больше э.д.с., тем энергичнее протекает реакция. Поэтому, чтобы выяснить, какой из одновременно присутствующих в растворе ионов будет первым окисляться, нужно найти э.д.с. обеих возможных реакций. В первую очередь будет протекать реакция с большей э.д.с.

 

Пример 3. Раствор содержит ионы Cl^- и SO₃^2-. Какой из них будет окисляться перманганатом первым, если их концентра- ции приблизительно одинаковы?

 

Решение

По таблице находим:

Е º_SO32-_/SO42- = +0,20B; E º_Cl-_/Cl2 = +1,36B; E º_MnO4ֿ/Mn2+ = +1,52B.

Э.д.с. окисления перманганатом ионов SO₃^2-: +1,52–0,20 = 1,32В.

Э.д.с. окисления перманганатом ионов Cl^-: +1,52-1,36 = 0,16В.

Следовательно, первым будет окисляться ион SO₃^2-, т.к.

1,32В> 0,16В.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Окислительно-восстановительные реакции (редокс-реакции или ОВР).

2. 2. Окислители. Восстановители. Вещества с двойственной природой.

3. Классификация редокс-реакций.

4. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций. Расстановка

коэффициентов методом электронного баланса и электронно-ионным методом (методом

полуреакций).

5. Расчет молярной массы эквивалента окислителей и восстановителей.

6. Окислительно-восстановительные реакции с участием бихромата калия и

перманганата калия, концентрированной серной кислоты, разбавленной и

концентрированной азотной кислоты.

7. Расстановка коэффициентов методом электронного баланса и методом полуреакций.

Задания для самостоятельной работы:

Подберите коэффициенты к окислительно-восстановительной реакции, используя методы электронного баланса, электронно-ионного баланса. Укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления:

1. KMnO₄ + HCl®MnCl₂ + Cl₂ + KCl + H₂O

2. СrCl₃ + H₂O₂ + NaOH ® Na₂CrO₄ + NaCl + H₂O

3. Сa₃(PO₄)₂ + C + SiO₂® CaSiO₃ + P + CO

4. KMnO₄ + FeSO₄ + H₂SO₄® MnSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 2O

5. Na₂S + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄® Na₂SO₄ + K₂SO₄ + Cr₂ (SO₄)₃ + H₂O

6. Zn + H₂SO₄® ZnSO₄ + H₂S + H₂O

7. KMnO₄ + KI + H₂SO₄® MnSO₄ + I₂ + K₂SO₄ + H₂O

 

Подготовьте доклад, реферат или презентацию на тему:

· «Окислительно-восстановительные процессы»;

· «Химические реакции как основа жизнедеятельности живых организмов»

Список рекомендуемой литературы:

1. Пустовалова Л.М., Никанорова И.Е. Неорганическая химия. Ростов-н/Д. Феникс, 2005

2. Бабков, А.В. Общая и неорганическая химия [Текст]: учебник / А.В. Бабков, Т.И. Барабанова, В.А. Попков. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. – 384 с.