Вычисления степеней окисления

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ ФИЛИАЛ

ГБОУ СПО «СВЕРДЛОВСКИЙ ОБЛАСТНОЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Кафедра химии и фармацевтической технологии

 

 

 

 

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

Учебное пособие для самостоятельной работы студентов по учебной дисциплине «Общая и неорганическая химия»

Екатеринбург

Пособие для самостоятельной работы студентов по общей и неорганической химии / сост. преподаватель химии, кандидат химических наук А.И. Серебрякова. – Екатеринбург; Фармацевтический филиал ГБОУ СПО «СОМК», 2012. – 34 с.

 

Рецензент: Л.И. Русинова доцент УГТУ - УПИ, кандидат химических наук

 

Учебное пособие: «Окислительно-восстановительные реакции» содержит несколько разделов. В нем отражены вопросы, которые знакомят студентов с понятиями окислителей и восстановителей, степени окисления, процессами окисления и восстановления, методами уравнивания. Материал тесно связан с профессиональной направленностью: с применением ОВР в анализе лекарственных средств. Данное пособие позволяет подготовиться изучению учебной дисциплине Аналитическая химия и ПМ 02 МДК 02.02. «Контроль качества лекарственных средств».

 

Учебное пособие рассмотрено на заседании кафедры химии и фармацевтической технологии (протокол № 2 от 07 сентября 2012 года)

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение. Что такое ОВР? 4

2. Вычисление степеней окисления 6

3. Процессы окисления и восстановления. Восстановители

и окислители 9

4. Классификация ОВР 11

5. Составление уравнений ОВР 11

А) Метод электронного баланса 11

Б) Метод ионно-электронный (полуреакций) 18

6. Превращения некоторых ионов и веществ в ОВР в

различных средах 25

7. Вычисление эквивалента вещества в ОВР 28

8. Литература 31

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Окислительно - восстановительные процессы принадлежат к числу наиболее распространенных химических реакций и имеют большое значение в теории и практике.

При анализе лекарственных средств, как и многих других веществ, используются количественные методы, в основе которых лежат окислительно-восстановительные реакции (ОВР). Это методы перманганатометрии, йодометрии, броматометрии и др.

Вот некоторые реакции, которые лежат в основе этих методов или используются для определения содержания количества веществ:

 

- метод перманганатометрии:

 

а) 5H₂C₂O₄ + 2KM n O₄ + 3 H₂SO₄ à 2 MnSO₄ +K₂SO₄ +3H ₂O

 

б) 5H₂O₂ + 2KM n O₄ + 3 H₂SO₄ à 2 MnSO₄ +K₂SO₄ + 5О₂ +8H ₂O

 

- метод иодометрии:

 

в) 2 Na₂S ₂O₃ + I₂ à 2 NaI + Na₂S₄O₆

^{тетратионат натрия}

г) K₂Cr₂O₇ + 6 KI + 7H₂SO₄ à Cr₂(SO₄)₃ + 4 K₂SO₄ + 3I₂ + 7 H₂O

 

- метод броматометрии:

 

д) KBrO₃ + 6KI + 6HCl à KBr + 6KCl + 3I₂ + 3 H₂O

е) KBrO₃ + 5KBr + 6HCl à 6KCl + 3Br₂ + 3 H₂O

 

- метод нитритометрии:

 

ж) 2HNO₂ + 2HI→ I₂ +2NO + 2H₂O

 

Окисление-восстановление - один из важнейших процессов природы. С ним связаны дыхание и обмен веществ, гниение и брожение, фотосинтез, нервная деятельность человека и животных. Их можно наблюдать при сгорании топлива, в процессе коррозии

метaллов и при электролизе. Они лежат в основе металлургических процессов и круговорота веществ в природе; с их помощью получают кислоты, щелочи и многие другие ценные продукты.

Реакции окисления-восстановления лежат и в основе многих методов лабораторной диагностики. Вы в своей будущей учебе и работе будете постоянно встречаться с ОВР, начиная с мытья лабораторной посуды и кончая проведением самых различных видов анализа.

Что такое ОВР?

Все многообразие химических реакций можно разделить на 2 типа:

1. Реакции, протекающие без изменения степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ.

Например:

+1 -1 +1 +5 -2 +1 -1 +1+5 -2

KCl + АgNОз = AgCl + КNОз

 

+4 -2 +2 -2 +4 -2

МgСОз = MgO + СО₂

 

2. Реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления

атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ.

Например:

 

0 +2 +6 -2 +2 +6 -2 0

 

Fе + Cu SO₄ = Fe S О₄ + Си

 

-3 +1 +3 -2 0 +1 -2

N H₄ N O₂ = N ₂ ^­ + 2H ₂ O

 

Сравните степени окисления подчеркнутых элементов.

 

Реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно- восстановительными.

 

С современной точки зрения: изменение степени окисления связано с оттягиванием или перемещением электронов. Поэтому, наряду с приведенным выше определением, можно дать такое определение ОВР:

 

окислительно-восстановительными называются реакции, в которых происходит переход электронов от одних атомов, молекул, ионов к другим.

 

Задание для самоконтроля № 1:

Среди приведенных ниже уравнений выберите уравнения ОВР.

1) Zп(ОН)₂ + 2NaOH= Na₂ ZnО₂ + 2Н₂ О

2) 4НNОз + Сu = Сu(NО)₂ + 2NО₂ + 2Н₂ О

3) Fe + 2НСI = FeСI₂ + Н₂

4) СаСОз = СаО + СО₂

5) MnО₂ + HCl = Cl₂ + МnC1₂ + Н₂ О

 

Если Вы забыли...

что такое степень окисления и как ее найти:

степень окисления характеризует состояние атома в молекуле; степень окисления - это условный заряд атома в молекуле, вычисленный исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов.

Или … - это условный заряд, который приобретает атом при условии полного смещения пары электронов ковалентной связи к более электроотрицательному атому.

Степень окисления может принимать отрицательное значение, если атом принял электроны (-1, -2 и т.д.);

- положительное значение, если атом отдал электроны (+1, +2 и т.д.)

- нулевое значение, если смещения не произошло и электронные пары, в равной мере принадлежат обоим атомам (обычно нулевая степень окисления присуща простым веществам - Н₂, Р₄, Fe, Na, S, O₂ с ковалентной неполярной связью или металлической - Fe, Na и др.).

 

ВЫЧИСЛЕНИЯ СТЕПЕНЕЙ ОКИСЛЕНИЯ

1. Степень окисления (C.О.) кислорода в большинстве соединений равна -2 за исключением пероксидов (Н₂О₂) и дифторида кислорода (OF₂). С.О. в них равна -1 и +2, соотвтственно.

2. С.О. водорода равна +1 за исключением гидридов металлов (NaH, CaH₂ и др. С.О.= -1).

3. Алгебраическая сумма степеней окисления в молекуле всегда равна 0, а в сложном ионе - заряду иона.

4. Степень окисления элемента в простых веществах принимается за 0.

 

Алгоритм вычисления степени окисления в бинарной (состоящей из двух химических элементов) молекуле:

пример: MnO₂

 

	Записываем формулу вещества	MnO2
	Ставим известную степень окисления над химическим элементом, а неизвестную степень окисления обозначаем через Х	х -2 MnO2
	Алгебраическая сумма степеней окисления в молекуле равна 0 (т.е., молекула заряда не имеет)	х -2 (MnO2) 0
	Cоставляем уравнение	х + (-2)∙ 2 = 0
	Решаем уравнение	х - 4 = 0; х = +4

 

Вывод: степень окисления марганца в MnO₂ равна + 4.

· В оксидах с нечетным числом атомов кислорода степень окисления элемента (если произвести расчет) равна этому нечетному числу («перекрестное» правило) со знаком +: х -2

Э₂О₃

х -2

Э₂О₃ 2∙х = - [3 ∙ (-2)]

 

- [3 ∙ (-2)]

х = = +3

Алгоритм вычисления степени окисления в сложной молекуле:

пример: H₂Cr₂O₇

	Записываем формулу вещества	H2Cr2O7
	Ставим известные степени окисления над химическими элементами, а неизвестную степень окисления обозначаем через Х	+1 х -2 H2Cr2O7
	Алгебраическая сумма степеней окисления в молекуле равна 0 (т.е.,   молекула заряда не имеет)	+1 х -2 (H2Cr2O7)0
	Cоставляем уравнение	(+1) ∙ 2 + х ∙ 2 + (-2)∙ 7 = 0
	Решаем уравнение	2+2х -14 = 0 2х = 14-2; 2х = 12; х = +6

 

Вывод: степень окисления хрома в хромовой кислоте равна +6.

 

Алгоритм вычисления степени окисления в сложном ионе:

пример: РO₄^3-

	Записываем формулу иона	РO43-
	Ставим известные степени окисления над химическими элементами, а неизвестную степень окисления обозначаем через х	х -2 Р O43-
	Алгебраическая сумма степеней окисления в ионе равна заряду иона	-3
	Cоставляем уравнение	х + (-2) ∙ 4 = -3
	Решаем уравнение	х = +8-3 = +5

 

Вывод: степень окисления фосфора в ортофосфат - ионе равна +5.

 

 

• Если вы вычислили степень элемента в составе сложного аниона или сложного катиона один раз, а этот ион встречается в уравнении повторно, например H₃PO₄ и Ca₃(PO₄)₂, то степень окисления у фосфора будет та же самая +5.

 

Задание для самоконтроля № 2.

Вычислите степени окисления азота в соединениях: NaNO₃, NO₂, HNO_2, NH₄OH, NH₄NO₂, HNO₃, N₂H₄, NH₂OH, N₂, NH₃.

 

Задание для самоконтроля № 3.

Вычислите степени окисления элементов в ионах: СO₃^2-, PH₄⁺, SO₄^2-,

S₂O₃^2-, SiO₄^4-.

 

Вычисления степеней окисления атома углерода в органических соединениях:

Пример № 1

Вычислить степень окисления атомов углерода в пропане.

1. Делим молекулу на части, отделяя каждый атом углерода с присоединенными к нему атомами водорода:

СН₃ - СН₂ - СН₃ СН₃ - СН₂ - СН₃

пропан а) б) в)

 

2. Общий заряд каждой части принимают за 0.

3. По суммарной степени окисления всех атомов, которые окружают атом углерода, приняв степень окисления углерода за Х, рассчитываем искомую степень окисления, то есть, Х:

для а) и в) х +1

(СН₃) ⁰ à х ∙ 1 + (+1) ∙3 = 0; х = -3

для б) х +1

(СН₂) ⁰ à х ∙ 1 + (+1) ∙ 2 = 0; х = -2

 

Иногда рассчитывают среднюю степень окисления атома углерода через эмпирическую (молекулярную) формулу:

 

Х +1

С₃Н₈ 3х + 8 = 0 à 3х = -8 à х = 8: 3 = + 2,66

_пропан

 

Таким образом, получено дробное значение степени окисления, пользоваться им неудобно.

 

Пример № 2

 

Вычислить степень окисления атомов углерода в уксусной кислоте:

СН₃СООН

-2

О

х +1 у// -2 +1

CH₃ - C - O - H

а) б)

по первому способу:

для а)

х +1

(СН₃) ⁰ à х ∙ 1 + (+1) ∙3 = 0; х = -3

для б)

у -2 -2 +1

(С О О Н)⁰ à у + (-2) ∙ 2 + 1 ∙ (+1) = 0

у = 4 -1 = +3

х +1 -2

по второму способу: С₂Н₄О₂ à х ∙ 2 + 4 ∙ (+1) + 2 ∙ (-2) = 0

2х + 4 - 4 = 0; 2х = 0; х = 0