Окислительно-восстановительные реакции

Все химические реакции можно разделить на два типа: обменные и окислительно-восстановительные.

Обменными реакциями называются реакции, протекание которых не сопровождается изменением степеней окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Примером такой реакции является реакция нейтрализации.

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называются реакции, протекающие с изменением степени окисления некоторых элементов, входящих в состав реагирующих веществ.

Степень окисления характеризует состояние элемента в веществе, насыщенность его электронами. Формально степень окисления может быть положительной, нулевой и отрицательной. Она проставляется справа от элемента, вверху.

Положительная степень окисления равна числу электронов, смещенных от данного атома (например, Н⁺¹ Сl, .С⁺⁴О₂, .Н₃Р⁺⁵О₄).

Отрицательная степень окисления равна числу электронов, смещенных в сторону данного атома от атомов связанных с ним элементов (например, НСl^1-, H₂S^-2 , N^-3H₃ ).

При определении степени окисления по формуле необходимо помнить следующее:

- степень окисления кислорода в соединениях равна - 2. Исключения составляют OF₂, где степень окисления кислорода равна + 2; Н⁺¹₂О^-1₂ (степень окисления кислорода - 1); O⁺¹₂F^-₂ (степень окисления кислорода + 1);

- степень окисления водорода в соединениях +1. Исключение составляют гидриды, где степень окисления -1 (например, Na⁺H^-);

- степень окисления простых веществ всегда равна 0;

- алгебраическая сумма всех степеней окисления элементов, входящих в электронейтральное соединение, равна 0. Например:

H₂⁺¹S⁺⁶ O₄^-2 , где 2(+1) + (+6) + 4(-2) = 0;

- подавляющее число элементов проявляет в соединениях переменную степень окисления (например, H₂S^-2, S⁺²O, S⁺⁴O₂, S⁺⁶O₃).

В любой окислительно-восстановительной реакции должен быть окислитель и восстановитель.

Окислитель - элемент, принимающий электроны. Процесс присоединения электронов называется восстановлением, т. е. окислитель в ходе реакции восстанавливается, степень его окисления понижается, например:

S⁰ + 2e^- ® S^-2,

Fe⁺³ +1e^- ®Fe⁺²,

Mn⁺⁷ +5e^- ® Mn⁺²,

Cr⁺⁶ + 3e^-®Cr⁺³.

Сильными окислителями являются фтор и другие галогены в свободном состоянии, кислород, сера, а также вещества, содержащие элементы в высшей степени окисления: Sn⁺⁴0₂, KMn⁺⁷O₄ , К₂Сг₂⁺⁶О_7..

Восстановитель - элемент, отдающий электроны. Процесс отдачи электронов называется окислением, т. е. восстановитель в ходе реакции окисляется, степень его окисления повышается, например:

Ca⁰ – 2e^-® Ca⁺²,

S^-2 – 8e^-® S⁺⁶,

Sn⁺² –2e^- ®Sn⁺⁴

Сильными восстановителями являются водород, все металлы в свободном состоянии, а также вещества, содержащие элементы с отрицательной степенью окисления: Cl^-, Br^-, S^-2.

Элементы в промежуточной степени окисления могут быть окислителями и восстановителями в зависимости от реагентов и среды. Например:

Cl₂ + H₂O^-₂ ®O₂ + 2HCl, пероксид водорода – восстановитель;

MnO + H₂O^-₂ ®MnO₂ + H₂O, пероксид водорода – окислитель. В пероксиде водорода кислород имеет промежуточную степень окисления (-1), поэтому H₂O₂ в одних реакциях может проявлять восстановительные свойства, в других – окислительные.

Следует помнить, что рассмотрение реакции окисления-восстановления как процесса отдачи и присоединения электронов не всегда отражает истинное положение вещей, так как в большинстве случаев происходит не перенос электронов, а только смещение электронного облака связи от одного атома или иона к другому. Поэтому правильнее говорить об изменении электронной плотности у восстановителя и окислителя и характера поляризации атомов.

Различают три типа окислительно-восстановительных реакций:

1. Межмолекулярные реакции. Протекают с изменением степени окисления атомов в различных молекулах, т. е. окислитель и восстановитель находятся в разных веществах, например: 2KN⁺⁵O₃ +C⁰ = 2KN⁺³O₂ +С⁺⁴O₂

2. Внутримолекулярные реакции. Протекают с изменением степени окисления разных атомов в одной и той же молекуле. При этом атом с более положительной степенью окисления окисляет атом с меньшей степенью окисления, например: 2Cu(N⁺⁵O₃^-2)₂ ( t ) ®2CuO +O₂⁰ +4N⁺⁴O₂;

3. Реакции самоокисления-самовосстановления, или диспропорционирования (дисмутации) протекают одновременно с увеличением и уменьшением степени окисления атомов одного и того же элемента. Например:

4Na₂S⁺⁴O₃ ( t )®3Na₂S⁺⁶O₄ + Na₂S^-2.

Существует два метода составления окислительно-восстановительных реакций: метод электронного баланса и электронно-ионный метод. Оба метода основаны на законе сохранения заряда. Мы будем использовать метод электронного баланса для составления окислительно–восстановительных реакций.

Порядок выполнения работы следующий:

1. Записать уравнение реакции с указанием исходных и образующихся веществ.

2. Определить степень окисления элементов в веществах правой и левой частей уравнения реакции, отметить элементы, степень окисления которых изменилась.

3. Составить уравнения процессов окисления и восстановления, найти наименьшее общее кратное для числа электронов, отданных при окислении и принятых при восстановлении.

4. Расставить, исходя из электронного баланса, коэффициенты при окислителе и восстановителе в уравнении реакции.

5. Расставить в соответствии с материальным балансом остальные коэффициенты в уравнении реакции.

6. Сделать проверку, сравнив сумму каких-либо атомов (удобнее это сделать для кислорода или водорода, если они имеются) в левой и правой части окислительно-восстановительной реакции.

Приведем пример использования метода электронного баланса при составлении уравнения окислительно-восстановительной реакции:

16H⁺¹Cl^-1 + 2K ⁺¹Mn⁺⁷O₄^-2 =5Cl₂⁰ + 2K⁺¹ Cl^-1 + 8H₂⁺¹ O^-2 + 2Mn⁺²Cl₂^-1

5½ 2Cl^-1- 2e^- ®Cl₂⁰ ½		½восстановитель, окисление
½		½
2½ Mn⁺⁷ + 5e^- ® Mn⁺²½		½окислитель, восстановление

Суммарное уравнение: 10Cl^- + 2Mn⁺⁷ ®5Cl⁰₂ + 2Mn⁺²

Пример 1. Исходя из степени окисления азота, серы, марганца определите, какие из следующих соединений могут быть только восстановителями, только окислителями и какие проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства:

а) NH₄⁺ в) HNО₃ д) H₂SО₃з) КМnО₄

б) HNО₂ г) H₂S ж) МnО₂ e) H₂SО₄

Решение. Степень окисления в указанных соединениях равна:

а) - 3 (низшая); б) +3 (промежуточная); в) +5 (высшая); г) - 2 (низшая); д) +4 (промежуточная); е) +6 (высшая); ж) +4 (промежуточная); з) +7 (высшая).

Отсюда NH₄⁺, H₂S - только восстановители, HNO₃, H₂SO₄,KMnO₄ - только окислители, HNО₂, H₂SО₃, MnО₂ - окислители и восстановители.

Пример 2. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между веществами: a) H₂S и HJ; б) H₂S и H₂SO₃; в) H₂SO₃; и НСIO₄?

Решение: а) Определяем степень окисления H₂S^-2, в HI^-1 . Так как сера и йод имеют свою низшую степень окисления, то оба взятых вещества проявляют только восстановительные свойства и взаимодействовать друг с другом не могут.

б) Определяем степень окисления H₂S⁺⁴О₃; (промежуточная) в НСl⁺⁷O₄ (высшая). Взятые вещества могут взаимодействовать между собой. H₂SO₃ в этом случае будут проявлять восстановительные свойства.

Пример 3. Определить степень окисления элементов в каждом веществе и расставить коэффициенты, используя метод электронного баланса, указать окислитель и восстановитель:

H₂SO₃ + Сl₂ → H₂S0₄ + HCI

Решение.

1. Определяем степень окисления элементов:

H₂⁺S⁺⁴ O₃^-2 + Сl₂°à Н₂⁺ S⁺⁶O₄^-2 + H⁺Cl^-

Видно, что в ходе реакции изменяется степень окисления: S⁺⁴ повышает степень окисления до S⁺⁶ (от + 4 до + 6), а Сl₂° понижает степень окисления до Cl^- (от 0 до - 1).

2. Записываем электронные уравнения, составляя схему приема и отдачи электронов:

S⁺⁴- 2е → S⁺⁶ восстановитель (окисляется),

Сl₂⁰ - 2е → 2Cl^- окислитель (восстанавливается).

Находим коэффициенты таким образом, чтобы число отданных и принятых электронов было одинаково:

1|2| S⁺⁴ – 2e → S⁺⁶

1|2| Cl₂⁰ + 2e → 2Cl^-

3. Записываем суммарное уравнение реакций:

S⁺⁴ + Cl₂⁰ → S⁺⁶ + 2Cl^-

4. Проставляем полученные коэффициенты в молекулярное уравнение реакции:

H₂S0₄ + Сl₂ → H₂S0₄+ 2HCl

Подсчитав число атомов водорода и кислорода, приходим к выводу, что в реакции должна участвовать молекула воды. Записываем окончательное уравнение реакции:

H₂SO₃ + Сl₂ + Н₂O → H₂SO₄ + 2HCl

Контрольные вопросы

159. Хлорид железа (III) используют в радиотехнике для травления медных пластинок с целью получения печатных радиосхем. В результате травления образуется хлорид меди (II) и хлорид железа (II). Напишите уравнение происходящей при этом реакции. Укажите окислитель и восстановитель.

160. Обозначьте степень окисления элементов в каждом веществе, расставьте коэффициенты в приведенных ниже схемах. Укажите, какие из этих реакций являются окислительно-восстановительными:

а) Fe₂О₃ + Н₂ → Fe + Н₂О	е) Р + О₂ → Р₂О₅
б) Na₂О + Н₂О → NaOH	ж) NaBr + С1₂ → NaCl + Вr₂
в) HgO → Hg + О₂	з) CuSО₄ + Zn → ZnSО₄ + Сu
г) CuO + С → Сu + СО₂	и) НС1 + А1 → А1С1₃ + Н₂
д) Сu + НС1 → СuСl₂ + Н₂О	к) Сu(ОН)₂ → СuО + Н₂O

161. Расставьте коэффициенты в следующих уравнениях реакций и укажите окислитель и восстановитель:

а) H₂S + НСlO → S + НС1 + Н₂О	ж) SnCl₂ + HgCl₂ → SnCl₄ + Hg₂Cl₂
б) H₂SО₄ + С → СО₂ + SО₂ + Н₂О	з) H₂О₂ → H₂О + О₂
в) HBr + H₂SО₄ → Br₂ + SО₂ + Н₂О	и) SnCl + Zn → ZnCl₂ + Sn
г) H₂S + С1₂ → НС1 + S	к) H₂ + PbO → Pb + H₂О
д) МnО₂ + HC1 → МnС1₂ + Н₂О + С1₂	л) Мg + НС1 → MgCl₂ + Н₂
е) NaCI + F₂ → NaF + Сl

162. На основе электронного строения атомов укажите, могут ли быть окислителями: а) атомы натрия; б) молекулы йода; в) фторид ионы; г) катион водорода; д) нитрит ионы; е) молекулы фосфора; ж) атомы цинка; з) сульфид ионы; и) молекулы кислорода; к) катионы меди; л) кислород в степени окисления - 2.

163. Определите степень окисления, используя метод электронного баланса, уравняйте эти схемы:

а) I₂ + Cl + Н₂О → НIO₃ + HCI	e) HgCl₂+ SnCl → SnCl₄+ Hg₂CI₂
б) РbО₂ + Н₂О₂ → Рb(ОН)₂ + О₂	ж) Ca + H₂О → Ca(OH)₂ + H₂
в) НСlO₃ + Н₂О₂ → НСl + O₂ + Н₂О	з) NH₃ + О₂ → NO + H₂О
г) SnCl₂ +Cl₂ → SnCl₄	и) HBr + H₂SО₄ → Br₂ + SО₂ + H₂О
д) FeCl₃ + H₂S → FeCl₂ + HC1+S⁰	к) SО₂ + Br₂ + H₂О → HBr + H₂SО₄

164. Укажите, какие из приведенных процессов представляют собой окисление, а какие восстановление:

а) S⁰→ SO₄^2- NH₄⁺→ N₂	ж) 2H⁺→ H₂⁰ S^2-→ SO₄²
б) S⁰→ S^2- NO₃^-→ NO₂	з) H₂⁰ → 2H⁺ S^-2→ S
в) Sn→ Sn⁺⁴ NO₂→ NO₃^-	и) V²⁺→ VO₃^- Cl^-→ ClO₃^-
г) K→ K⁺ NO₂→ NO₂^-	к) Cl₂→ 2Cl^- IO₃^-→ I₂
д) Br₂→ 2Br^- S→ SO₂	л) N→ N^-3 CO→ CO₂
е) P→ P^-3 SO₃^2-→ SO₄^2-	м) F₂→ 2F^- P→ P₂O₃

165. Для следующих реакций укажите, какие вещества и за счёт каких элементов играют роль окислителей и какие - восстановителей:

а) SО₂ + Br₂ + 2Н₂О = 2HBr + H₂SО₄	е) 3I₂ + 6КОН = КIO₂ + 5KI + Н₂О
б) Mg + H₂SО₄ = MgSО₄ + Н₂↑	ж) 2AgNО₃ + Fe = Ag + 2Fe(NО₃)₂
в) Pb + 2HC1 = PbCl₂ + H₂↑	3) 2H₂+SО₂ = 3S + 2H₂О
г) Ca + 2H₂О = Ca(OH)₂ + H₂↑	и) Сl₂ + Zn = ZnCl₂
д) Сu + 2H₂SО₄ (конц.) = CuSО₄ + SО₂↑ + + Н₂О	к) Ti + 2C1₂ = TiCl₄

166. Никелевые пластины опущены в водные растворы веществ, которые перечислены ниже. С какими веществами будет реагировать никель? Напишите уравнения реакций, укажите окислитель и восстановитель:

а) MgSО₄, CuSО₄, Pb(NО₃)₂, HC1	е) АlCl₃, KC1, HCl, HNО₃
б) NaCl, Co(NО₃)₂, CuCl₂, HNO₃	ж) HNО₃, Ba(OH)₂, H₃PО₄,CaCl₂
в) CuSО₄, FeSО₄, AgNО₃, H₂SО₄	з) ZnCl₂, NaOH, H₂SО₄ (конц.), A1₂(SО₄)₃
г) Pb(NО₃)₂, ZnCl₂, Hg(NО₃)₂, Н₃РО₄	и) Pb(NО₃)₂, HNO₃, HCl, Zn(NО₃)₂
д) NaOH, ZnSО₄, HCI, H₂SО₄ (конц.)	к) H₂SО₄, KOH, Hg(NО₃)₂, FeCl₃

167. Можно ли хранить раствор медного купороса:

а) в оцинкованном ведре;

б) алюминиевой кастрюле;

в) в стеклянном сосуде?

168. а) как проще всего проверить содержит ли бордосская смесь (CuSO₄ + Са(ОН)₂) непрореагировавший медный купорос; б) один из способов очистки ртути от примесей цинка и олова заключается в том, что её взбалтывают с раствором соли ртути Hg(NО₃)₂. В чем сущность этого способа очистки?

169.Подберите коэффициенты в приводимых ниже уравнениях методом электронного баланса и укажите окислитель и восстановитель:

а) I₂ + HNО₃ → НIO₃ + NO + Н₂О	г) P₂О₅ + С → P + CO
б) H₂SО₃ + О₂ → H₂SО₄	д) SO₂ + Br₂ + H₂О → HBr + H₂SО₄
в) FeCl₃ + H₂S → FeCI₂ + S + HCI

170. Подберите коэффициенты в следующих уравнениях методом электронного баланса:

а) HNО₃ + Сu → Cu(NО₃) + NO + H₂О

б) HNО₃ + Cd → Cd(NО₃) + N₂О + H₂О

в) HNO₃⁺ + Zn → Zn(NО₃) + NH₄NO₃ + H₂О

г) HNO₃ + As₂0₃ + H₂О → H₃AsО₄ + NO + H₂S0₄

д) H₂SО₄ (к) + Сu → CuSО₄ + SО₂ + H₂О

е) H₂SО₄ (к) + Zn → ZnSО₄ + H₂S + H₂О

ж) H₂SО₄ (к) + Mg → MgSО₄ + S + H₂О

з) HNО₃ + P → Н₃РО₄ + NО₂ + H₂О

и) HNО₃ + Ag → AgNО₃ + NО₂ + H₂О

к) HNО₃ + Zn → Zn(NО₃)₂ + N₂О + H₂О

171. Подберите коэффициенты методом электронного баланса в следующих уравнениях:

а) КМnО₄ + HNО₂ + H₂SО₄ → MnSО₄ + HNО₃ + K₂SО₄ + H₂О

б) КМnО₄+ FeSO₄+ H₂SO₄ → MnSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + Н₂O

в) КМnО₄+ K₂SO₃ + H₂O → MnO₂ + K₂SO₄ + KOH

г) КМnО₄+ K₂SO₃ + KOH → K₂MnO₄ + K₂SO₄ + H₂O

д) КМnО₄+ H₂O₂ + H₂SO₄ → MnSO₄ + 0₂ + K₂SO₄ + H₂O

е) K₂Cr₂O₇ + H₂S + H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + S + K₂SO₄ + H₂O

ж) K₂Cr₂O₇ + HI + H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + I₂ + K₂SO₄ + H₂O

з) K₂Cr₂O₇ + FeSO₄ + H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂

172. Подберите коэффициенты в следующих уравнениях методом электронного баланса:

а) НСlO₃ → НСlO₄ + СlO₂ + Н₂O

б) КОН + СlO₂ → КСLOз + КСlO₂ + Н₂O

в) NaOH + С1₂ → NaCl + NaClO + Н₂O

г) FeCl₂ + H₂O₂ + NaOH → Fe(OH)₃ + NaCl

д) NaCrO₂ + Br₂ + NaOH → NaBr + Na₂CrO₄ + Н₂O

е) Cr(OH)₃ + Br₂ + KOH → K₂CrO₄ + KBr + Н₂O

ж) Zn + KNO₃ + KOH → K₂ZnO₂ + KNO₂ + Н₂O

173. Закончите уравнения следующих реакций: