Лабораторная работа № 8 «Окислительно – восстановительные реакции»

Теоретическое введение

Химические реакции, которые протекают с изменением степеней окисления атомов в молекулах реагирующих веществ называются окислительно-восстановительными.

Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления. Число электронов, смещенных от атома данного элемента или к атому данного элемента в соединении называется степенью окисления.

Процесс отдачи электронов называется окислением. Например:

Cu⁰ – 2ē = Cu⁺²

При окислении степень окисления элемента повышается.

Процесс присоединения электронов называется восстановление. Например:

Hg ⁺²+ 2ē = Hg⁰

При восстановлении степень окисления элемента понижается.

Восстановителями называются атомы, молекулы или ионы, которые отдают электроны в процессе окисления.

Окислителями называются атомы, молекулы или ионы, которые присоединяют электроны в процессе восстановления.

Общая схема ОВР может быть записана так:

nē

Восстановитель + Окислитель = Продукты реакции

По окислительно – восстановительным свойствам все вещества делятся на три группы:

1. Вещества, которые могут быть только окислителями. В молекулах таких веществ элементы, изменяющие степень окисления, находятся в высшейстепени окисления.

Атомы с высшими степенями окисления не могут отдавать электроны, а могут только присоединять их.

Важнейшие окислители

Таблица 1

Элемент	Высшая степень окисления	Вещества - окислители
N	+5	HNO3
Mn	+7	KMnO4, HMnO4
Cr	+6	K2Cr2O7, CrO3
Pb	+4	Pb O2
F		F2

2. Вещества, которые могут быть только восстановителями. В молекулах таких веществ элементы, изменяющие степень окисления, находятся в низшейстепени окисления.

Атомы с низшими степенями окисления не могут присоединять электроны, а могут только отдавать их.

Важнейшие восстановители

Таблица 2

Элемент	Низшая степень окисления	Вещества- восстановители
N	-3	NH3
S	-2	H2S
F, Cl, Br, I	-1	HF, HCl, HBr, HI
H	-1	Гидриды металлов (NaH)
Все металлы		Na, Fe, Al, Zn…

3. Вещества, которые могут быть и восстановителями, и окислителями (в зависимости от второго участника реакции). Молекулы таких веществ содержат элементы в промежуточной степени окисления.

Атомы с промежуточными степенями окисления могут и присоединять, и отдавать электроны.

Вещества, проявляющие окислительно – восстановительную

двойственность

Таблица 3

Элемент	Промежуточные степени окисления	Вещества
N		N2
+3	HNO2
S		S
+4	SO2; H2SO3
Fe	+2	FeSO4; FeCl2

На границе инертного электрода (платины, графита) в растворе электролита, в котором происходит окислительно – восстановительная реакция, возникает скачек потенциала φ.

Абсолютное значение φ не определяется, но измеряется относительное значение к водородному электроду сравнения, φ зависит от природы вещества, от концентрации, от температуры.

Каждая окислительно – восстановительная реакция состоит из двух полуреакций. т.е. из двух электрохимических систем с электродвижущей силой:

Е = φ_{окислителя} – φ_{восстановителя},

где φ- стандартный электродный потенциал. Его значения приводятся в таблицах.

Окислительно – восстановительные реакции протекают в данном направлении при условии положительного значения э.д.с.

Вещество в разных реакциях может отдавать или присоединять разное число электронов, поэтому его эквивалентная масса может иметь различное значение. Эквивалентом окислителя (восстановителя) называется такое его количество, которое, восстанавливаясь (окисляясь), присоединяет (высвобождает) один моль электронов.

В соответствии с этим, эквивалентная масса окислителя (восстановителя) равна его молярной массе, деленной на число электронов, которые присоединяет (высвобождает) одна молекула окислителя (восстановителя) в данной реакции: Мэ = М/n

Например, KMnO₄ (М= 158,0 г/моль) в зависимости от кислотности среды восстанавливается по - разному. В кислой среде восстановление протекает по уравнению: MnO₄^- + 8H⁺ + 5ē =Mn²⁺ + 4H₂O

Здесь n = 5, эквивалент KMnO₄ равен 1/5 моля, а его эквивалентная масса Мэ = 158,0/5 = 31,6 г \моль.

Для составления уравнений окислительно – восстановительных реакций используют два метода: метод электронного баланса и ионно –электронный метод.

1. Метод электронного баланса

5Na₂S⁺⁴O₃ + 2KMn⁺⁷O₄ + 3H₂SO₄ = 5Na₂S⁺⁶O₄ + 2Mn⁺²SO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

S⁺⁴ – 2ē = S⁺⁶ 5 восстановитель (процесс окисления)

Mn⁺⁷ +5ē = Mn⁺² 2 окислитель (процесс восстановления)

2. Ионно –электронный метод.

Для составления уравнений окислительно- восстановительных реакций, протекающих в водных растворах, удобно использовать ионно- электронный метод (метод полуреакций).Этот метод основан на составлении уравнений полуреакций восстановления иона (молекулы) - окислителя и окисления иона (молекулы) – восстановителя с последующим суммированием этих полуреакций.

SO₃^2- + H₂O – 2ē = SO₄^2- + 2Н⁺ 5 восстановитель (процесс окисления)

MnO₄^- + 8Н⁺+5ē = Mn⁺² +4H₂O 2 окислитель (процесс восстановления)

5SO₃^2- + 5H₂O + 2MnO₄^- + 16Н⁺ = 5SO₄^2- + 10Н⁺ + 2Mn⁺² +8H₂O

сократив подобные члены, получают ионное уравнение:

5SO₃^2- + 2MnO₄^- + 6Н⁺=5SO₄^2- + 2Mn⁺² +3H₂O

по которому составляют молекулярное уравнение реакции (для этого к каждому аниону приписывают соответствующий катион. а к каждому катиону – соответствующий анион):

5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5Na₂SO₄ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

Экспериментальная часть

Общие требования. В опытах 1 – 3 необходимо составить уравнения электронного баланса, подобрать коэффициенты. Указать процессы окисления и восстановления.