Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

Введение.

 

Реакции, связанные с изменением степени окисления атомов в молекулах реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными.

Степень окисления - условный электрический заряд атома в химическом соединении (вычисленный в предположении, что все электроны, участвующие в образовании химической связи, полностью смещены к более электроотрицательному атому).

Для определения степени окисления атомов в химическом соединении используют следующие правила:

1) степень окисления атомов в простых веществах (напр.: Na, Cl₂, O₃) равна нулю;

2) степень окисления одноатомного иона (напр.: Na⁺, Cl^-, Zn²⁺, Al³⁺) равна его заряду;

3) степень окисления металлов всегда положительна;

4) характерные степени окисления в соединениях проявляют следующие элементы:

- щелочные металлы (+1),

- щелочноземельные металлы (+2),

- бор, алюминий (+3), кроме боридов металлов

- фтор (-1), самый электроотрицательный элемент

- водород (+1), кроме гидридов металлов

- кислород (-2), кроме пероксидов, надпероксидов, озонидов, и соединений с фтором;

5) сумма зарядов (степеней окисления) всех атомов в молекуле равна нулю (условие электронейтральности).

 

ПРИМЕР 1.

Определить степени окисления атомов в бихромате калия K₂Cr₂O₇

Степень окисления щелочного металла калия (+1), степень окисления кислорода (-2), степень окисления хрома обозначим Х. Составляем уравнение электронейтральности: 2(+1) + 2 Х+7 (-2) = 0.

Решаем уравнение относительно Х: получаем степень окисления хрома (+6).

Процесс повышения степени окисления - отдачи электронов -называется окислением. Процесс понижения степени окисления - присоединение электронов - называется восстановлением.

Вещества, атомы которых окисляются (отдают электроны), называются восстановителями, вещества, присоединяющие электроны - окислителями.

Окислителем может быть вещество, атомы которого способны понижать степень окисления (принимать электроны), поэтому типичными окислителями являются вещества, содержащие атомы в наивысшей степени окисления. Типичными восстановителями являются вещества, содержащие атомы в низшей степени окисления. Вещества с атомами в одной из промежуточных степеней окисления для данного элемента могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

ПРИМЕР 2.

H₂SO₄ максимальная степень окисления серы (+6): только окислитель

H₂S минимальная степень окисления серы (-2): только восстановитель

H₂SО₃ промежуточная степень окисления серы (+4): и окислитель, и восстановитель.

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Для окислительно-восстановительных реакций, протекающих в водных растворах используют метод ионно-электронных уравнений (рассмотрим на примере реакции бихромата калия с нитритом натрия в кислой среде).

Метод ионно-электронных уравнений включает следующий порядок составления уравнений:

1) записываем схему реакции в молекулярной форме:

K₂Cr₂O₇ + NaNO₂ + H₂SO₄ ® Cr₂(SO₄)₃ + NaNO₃ + K₂SO₄ + H₂O

2) составляем схему реакции в ионно-молекулярной форме по общим правилам (сильные электролиты записываем в виде ионов, слабые электролиты, газы и осадки - в виде молекул):

2K⁺ + Cr₂O₇^2- + Na⁺ + NO₂^- + 2H⁺ + SO₄^2- ® 2Cr³⁺ + 3SO₄^2- + Na⁺ + NO₃^- + 2K⁺ + SO₄^2- + H₂O

3) определяем элементы, изменяющие степени окисления, из ионно-молекулярной схемы реакции выписываем частицы (выделены), содержащие атомы этих элементов (т.е. окислитель и восстановитель) и составляем схемы отдельно процессов окисления и восстановления:

Cr₂O₇^2- ® 2 Cr³⁺

NO₂^- ® NO₃^-

4) составляем уравнения отдельно процессов окисления и восстановления, пользуясь следующими правилами:

для реакции в кислой среде: в ту часть уравнения, которая содержит меньшее число атомов кислорода, прибавляем эквивалентное число молекул воды, в противоположную часть - удвоенное количество ионов Н ⁺;

для реакции в щелочной (и нейтральной ) среде: в ту часть уравнения, которая содержит меньше атомов кислорода, прибавляем ионы ОН ^- из расчета два иона ОН ^- на каждый недостающий атом кислорода, в противоположную часть - вдвое меньшее количество молекул воды;

в рассматриваемом случае реакция идет в кислой среде, поэтому получаем:

Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ ® 2Cr³⁺ + 7 H₂O

NO₂^- + H₂O ® NO₃^- + 2 H⁺

5) рассчитываем суммарный заряд левых и правых частей уравнений и прибавляем необходимое количество электронов в соответствующую часть уравнения с тем, чтобы суммарное число и знак электрических зарядов слева и справа от знака равенства в каждом уравнении были равны:

+12 + 6

х 1 Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6 е^- = 2 Cr³⁺ + 7 H₂O восстановление

х 3 NO₂^- + H₂O = NO₃^- + 2 H⁺ + 2 е^- окисление

- 1 +1

6) подбираем наименьшие коэффициенты для полученных уравнений, руководствуясь тем, что общее число электронов, отдаваемых восстановителем, должно быть равно числу электронов, присоединяемых окислителем; с учетом этих коэффициентов складываем полученные уравнения:

Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 3 NO₂^- + 3 H₂O = 2 Cr³⁺ + 7 H₂O + 3 NO₃^- + 6 H⁺

7) производим сокращение одинаковых членов в левой и правой частях уравнения, при этом получаем сокращенное ионное уравнение заданной реакции:

Cr₂O₇^2- + 8 H⁺ + 3 NO₂^- = 2 Cr³⁺ + 4 H₂O + 3 NO₃^-

8) по полученному ионному уравнению составляем молекулярное уравнение реакции (расставляем коэффициенты в исходном молекулярном уравнении):

K₂Cr₂O₇ + 3 NaNO₂ + 4 H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3 NaNO₃ + K₂SO₄ + 4 H₂O

9) проверяем правильность полученных коэффициентов; рекомендуется делать проверку "по кислороду" (число атомов кислорода в правой и левой частях уравнения должно быть одинаково).