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, НСl1-, 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+1 S+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+6О7..
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 +1 Mn+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+2 ½ | 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) H2SО3 з) 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 → SO42- NH4+ → N2 | ж) 2H+ → H20 S2- → SO42 |
б) S0 → S2- 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 SO32- → SO42- | 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:
a) Sb + HNO3 → HSbO3+… | д) SnCl2 + HgCl2 → Hg2Cl2+… |
б) PbS + HNO3 → PbSO4 + NO2 +… | e) S + H2SO4 → SO2+… |
в) HBr + H2SO4 → Br2+… | ж) КI + Н2O2 →… |
г) KI + CuCl2 → CuCl+… | з) C + HNO3 → CO2+… |