Материал: Химия. учебное пособие. Вострикова Г.Ю., Хорохордина Е.А

Литература: [1–гл.5, § 5.1-5.5; 7.1-7.2]; [2–гл. 6, § 55- 61]; [3 – гл.3, §12-13].

Тема 7. Окислительно-восстановительные реакции Теоретические сведения

Окислительно-восстановительными называются реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов в молекулах реагирующих веществ. Такие реакции лежат в основе многих процессов, имеющих место в природе и технике, в том числе в основе процессов горения.

Степень окисления - это формальный заряд атома в соединении, вычисляемый исходя из предположения, что все его связи ионные, то есть валентные электроны полностью переходят к атомам с большей электроотрицательностью.

Изменение степеней окисления при протекании окислительно-восстановительных реакций обусловлено переходом электронов от атомов одного элемента к атомам другого элемента. Процесс отдачи электронов, сопровождающийся повышением степени окисления, называется окислением. Процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления, называется восстановлением. Атомы, молекулы и ионы, отдающие электроны, являются восстановителями, принимающие электроны – окислителями.

Если соединение содержит атом в низшей степени окисления, то в реакции оно может быть только восстановителем, если в высшей степени окисления – только окислителем, если в промежуточной степени окисления – может быть как окислителем, так и восстановителем в зависимости от второго участника окислительно-восстановительного процесса.

В зависимости от того, где находятся окислитель и восстановитель (в составе одной молекулы или в молекулах различных веществ), различают три типа окислительно-восстановительных реакций: внутримолекулярные, межмолекулярные, реакции диспропорционирования.

Для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса, необходимо пользоваться следующими правилами:

1. записывают формулы исходных веществ и продуктов реакции;

2. определяют степень окисления каждого атома;

3. составляют схемы, отражающие процесс передачи электронов, устанавливают число электронов, отдаваемых восстановителем и принимаемых окислителем;

4. определяют коэффициенты у восстановителя и окислителя, считая что число электронов отданных восстановителем равно числу электронов принятых окислителем по правилу нахождения наименьшего общего кратного;

5. уравнивают количества всех остальных атомов в следующем порядке: а) количество атомов металла, не изменивших степень окисления (слева направо), б) ионы кислотных остатков, не изменивших степень окисления (справа налево), в) количество ионов водорода;

6. осуществляют проверку правильности расстановки коэффициентов подсчетом общего количества атомов кислорода в левой и правой частях уравнения реакции.

Решение типовых задач

Задача 1. Рассчитайте методом электронного баланса коэффициенты в уравнении взаимодействия дихромата калия с йодидом калия в кислой среде.

Решение. Запишем схему реакции, определим степени окисления всех элементов и подчеркнём те из них, которые изменили степени окисления:

+1 +6 −2 +1 −1 1 +6 −2 +3 +6 −2 0 +1 +6 −2 +1 −2

K₂ Cr₂ O₇ + K J + H₂ S O₄→ Cr₂ (S O₄)₃ + J₂ + K₂ S O₄ + H₂ O

Составим уравнения электронного баланса, в которых определим число электронов, принимаемых окислителем и отдаваемых восстановителем:

+6 +3

2 Cr + 6e‾ → 2 Cr, процесс восстановления;

−1 0

2 J – 2e‾ → J₂, процесс окисления.

Наименьшее общее кратное число отдаваемых и принимаемых электронов равно шести. Отсюда находим коэффициенты перед окислителем (6:2= 3) и восстановителем (2:2=1) в уравнении реакции:

1 K₂Cr₂O₇ + 6 KJ + H₂SO₄→ 1 Cr₂(SO₄)₃ + 3J₂ + K₂ SO₄ + H₂O.

Уравниваем количества всех остальных атомов по закону сохранения массы веществ в следующем порядке:

а) количество атомов металла, не изменивших степень окисления (слева направо);

б) ионы кислотных остатков среды (справа налево);

в) количество ионов водорода.

K₂Cr₂O₇ + 6 KJ + 7H₂SO₄→ Cr₂(SO₄)₃ + 3J₂ + 4K₂ SO₄ + 7H₂O.

Проверку правильности определения коэффициентов осуществляют путём подсчёта атомов кислорода – их должно быть одинаково слева и справа (в данной реакции: 35 = 35).

Задача 2. Укажите, какие из приведенных реакций являются окислительно-восстановительными:

1) 2Zn + O₂ → 2ZnO

2) 2KOH + H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2H₂O

3) Na₂CO₃ + CuCl₂ → CuCO₃ +2NaCl

4) 2H₂S + H₂SO₃ → 3S + 3H₂O

Решение. Для начала, необходимо определить, какие реакции называются окислительно-восстановительными. Окислительно-восстановительные реакции – это реакции, при которых происходит изменение степени окисления атомов реагирующих веществ. Следовательно, необходимо определить степени окисления всех атомов, которые входят в данные реакции:

0 0 +2 -2

1) 2Zn + O₂ → 2ZnO − в данной реакции степень окисления меняют и цинк и кислород, следовательно, это окислительно-восстановительная реакция.

+1-2+1 +1 +6 -2 +1+6 -2 +1 -2

2) 2KOH + H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2H₂O − в данной реакции ни один из атомов не меняет свои степени окисления, поэтому эта реакция не является окислительно-восстановительной, а реакцией обмена.

+1 +4 -2 +2 -1 +2 +4 -2 +1 -1

3) Na₂CO₃ + CuCl₂ → CuCO₃ +2NaCl − в данной реакции тоже ни один из атомов не меняет свои степени окисления, поэтому эта реакция не является окислительно-восстановительной, а реакцией обмена.

+1 -2 +1 +6 -2 0 +1 -2

4) 2H₂S + H₂SO₃ → 3S + 3H₂O − в этой реакции сера меняет свою степень окисления от (–2) до 0 и от (+6) до 0, поэтому данная реакция является окислительно-восстановительной.

Задача 3. В приведенных ниже окислительно-восстановительных реакциях укажите восстановитель, окислитель и тип данной реакции:

1) S + O₂  SO₂

2) (NH₄)₂Cr₂O₇ –^t Cr₂O₃ + N₂­ + 4H₂O

3) 3HNO₂  HNO₃ + 2NO­ + H₂O

Решение. Из условия задачи следует, что все приведенные реакции являются окислительно-восстановительными, значит степени окисления атомов меняются. Для того чтобы указать окислитель и восстановитель необходимо определить, кто именно из атомов меняет степень окисления.

0 0 +4 -2

1) S + O₂  SO₂ − в данной реакции сера повысила свою степень окисления от 0 до (+4) за счет отдачи электронов в соответствии с определением «восстановитель – это частица, отдающая электроны». Восстановитель в ходе реакции окисляется, степень его окисления увеличивается. Следовательно, S⁰ – восстановитель.

Кислород, напротив, уменьшил свою степень окисления от 0 до (–2) за счет принятия электронов в соответствии с определением «окислитель – это частица, присоединяющая электроны». Окислитель в ходе реакции восстанавливается, степень окисления его понижается. Поэтому O₂⁰ – окислитель.

В данной реакции степень окисления изменяют атомы, входящие в состав разных исходных веществ, такой тип реакций называется межмолекулярные окислительно-восстановительных реакций.

-3 +1 +6 -2 +3 -2 0 +1 -2

2) (NH₄)₂Cr₂O₇ –^t Cr₂O₃ + N₂­ + 4H₂O − в данной реакции азот повысил степень окисления от (–3) до 0 за счет отдачи электронов, поэтому в соответствии с определением N^-3 − восстановитель. Хром, наоборот, понизил свою степень окисления от (+6) до (+3) следовательно, Cr⁺⁶ – окислитель.

В данной реакции степень окисления меняют атомы, входящие в состав одного соединения, такой тип реакций − это внутримолекулярные окислительно-восстановительных реакции.

+1+3 -2 +1+5-2 +2-2 +1 -2

3) 3HNO₂  HNO₃ + 2NO­ + H₂O − в данной реакции азот повышает степень окисления от (+3) до (+5) за счет отдачи электронов, поэтому N⁺³ − восстановитель и тот же азот понижает степень окисления от (+3) до 0, являясь при этом окислителем. В данной реакции атома азота проявляет свойства как окислителя, так и восстановителя, такой тип реакций называется реакции диспропорционирования.

Задача 4. Определите коэффициент перед молекулой восстановителя в уравнении реакции

K₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄  K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O

Варианты ответа: 1) 5 2) 3 3) 2 4) 1

Выберите один вариант ответа.

Решение. Необходимо применить метод подбора коэффициентов с помощью электронного баланса: 1) записываем формулы исходных веществ и продуктов реакции:

K₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄  K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O

2) определяют степени окисления атомов элементов в исходных веществах и продуктах реакции:

+1+4 -2 +1 +7 -2 +1 +6 -2 +1+6 -2 +2 +6 -2 +1 -2

K₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄  K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O

3) находим элементы, которые повышают и понижают степени окисления, и выписываем их отдельно, с указание степени их окисления: в нашем уравнении марганец понижает степень окисления от (+7) до (+2) за счет присоединения электронов, такой процесс называется восстановлением, а

Mn⁺⁷ – окислитель. Сера, наоборот, повышает степень окисления от (+4) до (+6) зачет отдачи электронов – это процесс окисления, S⁺⁴ – восстановитель.

4) Проставляем стехиометрические коэффициенты в уравнении окислительно-восстановительной реакции у элементов, изменивших степень окисления, и уравниваем число атомов тех элементов, которые не изменяют своей степени окисления:

5K₂SO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄  6K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 3H₂O

Лабораторные опыты

1. Окислительные свойства азотной кислоты

(опыт проводится в вытяжном шкафу)

Поместите в пробирку немного мелких стружек меди и прибавьте раствор концентрированной азотной кислоты. Наблюдайте образование бурого оксида азота (IV). Голубая окраска раствора свидетельствует о появление в нем ионов Cu²⁺.

Повторите опыт, заменив концентрированную азотную кислоту разбавленной. При этом выделяется бесцветный оксид азота (II), буреющий на воздухе. (Для ускорения реакции реакционную смесь следует слегка подогреть).

Напишите уравнения реакций, определите коэффициенты методом электронного баланса; укажите окислитель и восстановитель; процессы окисления и восстановления.

2. Окислительные свойства бихромата калия

Налейте в пробирку 2-3 мл бихромата калия (K₂Cr₂O₇), добавьте 3-5 капель раствора серной кислоты и небольшое количество кристаллов сульфата железа (II). Появление зеленой окраски свидетельствует об образовании ионов Cr³⁺. Рассчитайте коэффициенты в уравнении проведенной реакции, протекающей по схеме:

K₂Cr₂O₇ + FeSO₄ + H₂SO₄  Cr₂(SO₄)₃ + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

Укажите роль каждого исходного вещества в этой реакции.

3. Влияние среды на окислительные свойства перманганата калия

Налейте в три пробирки 2-3 мл раствора перманганата калия KMnO₄ и добавьте в первую пробирку ~ 1 мл серной кислоты, во вторую ~ 1 мл щелочи КОН. Затем в каждую пробирку насыпьте на кончике шпателя несколько кристаллов сульфита натрия Na₂SO₃. Как изменилась окраска растворов?

Рассчитайте коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих по схемам:

KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O,

KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂O → Na₂SO₄ + MnO₂ + KOH,

KMnO₄ + Na₂SO₃ + KOH → Na₂SO₄ + K₂MnO₄ + H₂O.

Какую степень окисления приобретает марганец в кислой, нейтральной, щелочной средах? Как влияет реакция среды на окислительные свойства KMnO₄?

Вопросы для самоконтроля

1. Сущность понятий: степень окисления, окислитель, восстановитель, процесс окисления, процесс восстановления.

2. Правила определения коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций.

3. Определите роль среды в окислительно-восстановительных реакциях (на примере перманганата калия KMnO₄).

Задания для решения

1. Определите степень окисления азота в следующих соединениях:

NH₃, N₂H₄, N₂O, N₂O₄, N₂O₅, NH₂OH, KNO₃, Ca(NO₂)₂, NH₄NO₃, (NH₄)₂S.

2. В каких уравнениях реакций оксид марганца проявляет свойства окислителя, а в каких восстановителя:

а) 2MnO₂+2H₂SO₄ → 2MnSO₄+O₂+2H₂O