Окислительно–восстановительными реакциями (ОВР) называются реакции, идущие с изменением степеней окисления всех, некоторых или хотя бы одного элемента.
Степенью окисления называется заряд атома, вычисленный исходя из условного предположения, что все связи в молекуле ионные. Другими словами: степень окисления- это тот условный заряд, который приобрел бы атом элемента, если предположить, что он принял или отдал то или иное число электронов.
Примеры ОВР:
2Zn0+O2=2Zn+2O-2
3H2S-2+S+4O2=3S0+3H2O
2KMn+7O4+16 HCl-1=5Cl02+2KCl+2Mn+2Cl2+8H2O
При определении степени окисления атомов в соединениях следует учитывать:
- водород почти во всех соединениях проявляет степень окисления +1. Исключение - гидриды металлов (например NaH-1, CaH2-1);
- кислород во всех соединениях, за исключением пероксидов (например H2O2-1) и O+2F2, обладает степенью окисления -2 ;
- сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю;
- степени окисления атомов в простых веществах (H2, Cl2, сера, графит и др.) равны нулю.
Изменение степеней окисления атомов в ходе ОВР вызвано переносом электронов от восстановителя к окислителю.
Окислителем является атом (молекула или ион), принимающий электроны; восстановителем - атом (молекула или ион), отдающий электроны.
Окислитель в процессе реакции восстанавливается, восстановитель - окисляется.
Окисление - процесс приема электронов, восстановление – процесс их отдачи.
В приведенных выше уравнениях Zn0, S-2, Cl-1 - восстановители, в ходе реакций окисляются, повышая степени окисления соответственно до Zn+2, S0, Cl0; O0, S+4, Mn+7- окислители, в ходе реакций восстанавливаются, понижая степени окисления соответственно до O-2, S0,Mn+2.
Окислительные свойства характерны:
а) для типичных неметаллов (F2, Cl2, O2 и др.) в свободном состоянии;
б) кислородсодержащих кислот и их солей (H2SO4, HNO3, нитраты, кислородсодержащие кислоты галогенов и их соли, KMnO4, K2Cr2O7 и др.);
в) водорода в составе неорганических кислот;
г) ионов металлов, находящихся в высшей степени окисления (Fe3+, Cu2+, Hg2+ и др.)
К важнейшим восстановителям принадлежат: а) активные металлы- металлы Ia, IIa подгрупп, Zn, Fe, Al и др.; б) анионы бескислородных кислот (HCl, HBr, HI, H2S) и их соли; в) металлы в низшей степени окисления (Sn2+, Fe2+, Cu+ и др.).
ОВР подчиняются не только закону сохранения массы, но и закону сохранения электрического заряда, т.е. число электронов, отданных в данной реакции восстановителем, должно равняться числу электронов, присоединенных окислителем. Поэтому подбор коэффициентов ОВР осуществляют с таким расчетом, чтобы соблюдался баланс по электронам.
При составлении ОВР методом электронного баланса:
- записывают схему реакции:
Na2SO3+KMnO4+H2SO4 ® Na2SO4+MnSO4+K2SO4+H2O;
- определяют элементы, атомы которых изменяют степень окисления в ходе реакций:
Na2S+4O3 + KMn+7O4+H2SO4 ® Na2S+6O4+Mn+2SO4+K2SO4+H2O;
- составляют электронные уравнения процессов окисления и восстановления:
S+4- 2 e ®S+6 (окисление, S+4-восстановитель)
Mn+7+5 
e ®Mn+2 (восстановление, Mn+7- окислитель);
- устанавливают баланс по электронам, умножая полученные электронные уравнения на наименьшие множители, определяемые найденными числами электронов:
S+4- 2 e ®S+6 5 | 5S+4-10 e® 5S+6
| ®
Mn+7+5 e®Mn+2 2 | 2Mn+7+10 e®2Mn+2;
- переносят найденные коэффициенты из электронных уравнений в молекулярное:
5Na2SO3+2KMnO4+H2SO4 ® 5Na2SO4+2MnSO4+K2SO4+H2O;
- проставляют коэффициенты перед оставшимися веществами (они однозначно определяются уже проставленными коэффициентами):
5Na2SO3+2KMnO4+3H2SO4 ® 5Na2SO4+2MnSO4+K2SO4+3H2O;
- проверяют материальный баланс по атомам каждого элемента (обычно бывает достаточно проверить баланс по кислороду и водороду: слева и справа по 35 атомов кислорода и по 6 - водорода).
Примеры решения задач
Пример 1. Определить степень окисления Si, Mn, Cr всоединениях H2SiO3, Mn(OH)4, K2Cr2O7.
Решение. Проставляем известные степени окисления, обозначив неизвестные как x,y, z соответственно: H2+1 SiX O3-2, MnY (O-2H+1)4, K2+1Cr2Z O7-2.
Поскольку сумма степеней окисления всех атомов в молекуле должна быть равна нулю, то неизвестные величины находим из уравнений
2×1+x+3×(-2)=0 y+4×(-2)+4×1=0 2×1+2×z+7(-2)=0
x=4 y=4 z=6
Таким образом, Si+4, Mn+4, Cr+6.
Пример 2. Исходя из степеней окисления азота и серы, определить, какие соединения могут быть только восстановителями, только окислителями и какие могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства:
NH3, N2H4 , N2, NO, HNO2, HNO3, H2S, H2S2, S2, SO, SO2, H2SO4.
Решение. Определяем степени окисления N и S в указанных соединениях:
N-3H3, N2-2H4, N20, N+2O, HN+3O2, H2S-2, H2S2-1, S20, S+2O, S+4O2, H2S+6O4.
Азот находится в V группе, сера в VI. Следовательно, максимальная степень окисления азота +5, минимальная -3, для серы соответственно +6 и -2. Любые другие степени окисления для этих элементов являются промежуточными.
В максимальной степени окисления элемент проявляет только окислительные свойства, в минимальной- только восстановительные, в промежуточной- как окислительные, так и восстановительные. Поэтому:
NH3 и H2S- восстановители, HNO3 и H2SO4- окислители, остальные вещества могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.
Пример 3. Могут ли протекать ОВР между веществами: а) MnO2 и HI; б) K2Cr2O7 и NaNO2; в) FeCl2 и H2S; г) KMnO4 и H2O2 ?
Решение
а) Степень окисления Mn=+4 - промежуточная, I=-1 - минимальная. Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем MnO2 - окислитель, HI - восстановитель;
б) степень окисления Сr=+6 - максимальная, N=+3- промежуточная.
Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем K2Cr2O7 -окислитель, NaNO2 - восстановитель;
в) степень окисления Fe=+2 - минимальная , S=-2 - минимальная.
Оба элемента в данных соединениях могут проявлять только восстановительные свойства. Следовательно, взаимодействие этих веществ невозможно;
г) степень окисления Mn=+7, кислород в составе пероксидов имеет степень окисления -1, которая для него является промежуточной. Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем KMnO4- окислитель, H2O2- восстановитель.
Пример 4. Определить коэффициенты в ОВР методом электронного баланса
Zn+H2SO4 ® ZnSO4+H2S +H2O
Zn0+H2S +6 O4 ® Zn+2 S +6 O4+H2S -2 +H2O
Zn0- 2e = Zn+2 8 4 4Zn0-8 e=4 Zn+2 (окисление, Zn0 – восстановитель)
®
S+6 +8e = S-2 2 1 S+6+8 e= S-2 (восстановление, S+6 - окислитель)
4Zn+H2SO4 ® 4ZnSO4+H2S +H2O
Особенность данной реакции в том, что S+6 выполняет роль как окислителя (один атом восстанавливается до S-2), так и солеобразователя (в составе иона SO-24 без изменения степени окисления идет на связывание четырех ионов Zn2+). Поэтому перед H2SO4 должен стоять коэффициент 5, а
не 1.
Коэффициент перед H2O определяется однозначно из соображений материального баланса:
4 Zn+5H2SO4 ® 4 ZnSO4+H2S +4 H2O
Слева и справа по 20 атомов кислорода и по 10 атомов водорода.
Пример 5. Определить коэффициенты в ОВР методом электронного баланса
A+3s2 S-23 +HNO+53 ® H3A+5sO4 + H2 SO4+N+2O
Особенность данной реакции в том, что два элемента - мышьяк и сера повышают свои степени окисления, т.е. являются восстановителями.
При составлении электронных уравнений учтем, что соотношение атомов As и S два к трем:
2As+3 - 4e ® 2As+5 6As+3-12e ® 6As+5
ý 28 e 3 ® ý 84 e
3S-2 - 24e ® 3S+6 9S-2 – 72e ® 9S+6
N+5 +3e ® N+2 28 28 N+5+84e ® 28 N+2
3As2 S3 +28HNO3 ® 6H3AsO4 + 9H2 SO4+28 NO
Слева и справа по 84 атома кислорода и по 28 атомов водорода.
Задачи
141. Определите методом электронного баланса коэффициенты в уравнениях окислительно-восстановительных реакций:
Cu + H2SO4 (конц.) = CuSO4 + SO2 + H2O
Cu + HNO3 = Cu(NO3)2 + NO + H2O
142.* Cu2S + HNO3 = Cu(NO3)2 + H2SO4 +NO2 + H2O
KMnO4 + NaNO2 + H2SO4 = MnSO4 +NaNO3 + K2SO4 + H2O
143.* Zn + HNO3 = Zn(NO3)2 + NH4NO3 + H2O
Zn +H2SO4 (конц.) = ZnSO4 + SO2 +H2O
144.* MnO2 + KI + H2SO4 = MnSO4 + I2 + K2SO4 + H2O
KMnO4 + H2O2 + H2SO4 = MnSO4 + O2 + K2SO4 + H2O
145.* CrCl3 + H2O2 + KOH = K2CrO4 + KCl + H2O
K2Cr2O7 + H2S + H2SO4 = Cr2 (SO4)3 + S + K2SO4 + H2O
146.* Mn(NO3)2 + PbO2 + HNO3 = HMnO4 + Pb(NO3)2 + H2O
MnO2 + FeSO4 + H2SO4 = MnSO4 + Fe2(SO4)3 + H2O
147.* Fe + HNO3 = Fe(NO3)3 + NO2 +H2O
KMnO4 + Na2SO3 + H2O = MnO2 + Na2SO4 + KOH
148.* K2Cr2O7 + FeSO4 + H2SO4 = Cr2 (SO4)3 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
KMnO4 + H2S + H2SO4 = MnSO4 + S + K2SO4 + H2O
149.* Ni + HNO3 = Ni(NO3)2 + NO + H2O
Cd + HNO3 = Cd(NO3)2 + NO2 + H2O
150.* Mg + H2SO4 = MgSO4 + H2S + H2O
Ni(OH)2 + NaOH + Br2 = Ni(OH)3 + NaBr
* См. условие задачи № 141.
Дата: 2018-12-21, просмотров: 274.
