Окислительно - восстановительные реакции

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫМИ называются реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления элементов в молекулах реагирующих веществ в результате перехода электронов от одних атомов к другим.

Под СТЕПЕНЬЮ ОКИСЛЕНИЯ понимают условный заряд атома в молекуле, исходя из предположения, что молекула состоит из атомов-ионов. Например, можно условно считать, что молекула серной кислоты H₂S0₄ состоит из двух атомов-ионов Н⁺, одного S⁶⁺ и четырех О^2-, где Н⁺ - атом водорода, потерявший один электрон, S⁶⁺ - атом серы, отдавший шесть электронов, О^2-- атом кислорода, принявший два электрона.

Степень окисления атомов определяют, пользуясь следующими правилами:

1. Степень окисления атома любого элемента в простом соединении (например, Н₂, 0₂, 0₃, F₂, Cl_{2 ,} S, Fe, С и т.д.) равна нулю.

2. Степень окисления водорода равна +1: Н₂⁺¹0, Н⁺¹Сl, СН₄⁺¹, NH₃⁺¹. В гидридах металлов степень окисления водорода равна -1: NaH^-1, CaH₂^-1.

3. Степень окисления фтора во всех сложных соединениях равна -1: HF^-1, CaF^-1.

4. Степень окисления кислорода равна -2. Исключение составляют пероксид водорода Н₂0₂^-1 (и его производные) и фторид кислорода 0 ⁺²F₂.

5. Сумма степеней окисления элементов в молекуле равна нулю.

6. Сумма степеней окисления элементов в ионе равна заряду этого иона.

7. Характерные степени окисления атомов элементов главных и побочных подгрупп периодической системы приведены в табл.3.1 и 3.2 .

Таблица 3.1

Характерные степени окисления элементов главных подгрупп

Степень окисления	Номер группы
I	II	III	IV	V	VI	VII
(+)	+1	+2	+3	+4; +2	+5; +3	+6; +4	+7; +5; +3; +1
(-)	-	-	-	-4	-3	-2	-1

Таблица 3.2

Характерные степени окисления элементов побочных подгрупп

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
Cu2+ Cu1+ Ag+ Au3+ Au+	Zn2+ Cd2+ Hg2+ (Hg2)2+	+3	+4	+5	Cr6+ Cr3+ Cr2+ (неуст.)	Mn7+ Mn6+ Mn4+ Mn2+	Fe3+ Fe2+ Fe6+(неуст.) Сo2+; Co3+ Ni2+; Ni3+

ПРИМЕР 1

Определите степени окисления: а) марганца в К₂МnО₄; б) хрома в Сr₂О₇^2-;

в) ванадия в V0₂⁺.

РЕШЕНИЕ

а) Степень окисления марганца в К₂Мn0₄ можно определить, зная степени окисления калия и кислорода.

Элемент калий указан в главной подгруппе 1 группы периодической системы и имеет, следовательно, единственную степень окисления - +1 (табл. 1). Степень окисления атома кислорода равна -2. Обозначим степень окисления марганца за х. Сумма степеней окисления всех элементов в молекуле, равна нулю

2·(+1) + Х(Мn) + 4·(-2) = 0,

Х=+6.

Степень окисления атома марганца в К₂Мn0₄ равна +6.

б) Обозначим степень окисления хрома за х. Сумма степеней окисления всех атомов в ионе Сr₂0₇^2-равна заряду этого иона, т.е. -2

2Х(Сr) + 7·(-2) = -2,

Х=+6

Степень окисления атома хрома в ионе Сr₂0₇^2- равна +6.

в) Для иона V0₂⁺

2Х(V) + 2·(-2) = +1,

Х=+5.

Степень окисления атома ванадия в V0₂⁺ равна +5.

В окислительно-восстановительных реакциях одновременно протекают два процесса: окисление и восстановление.

ОКИСЛЕНИЕ - это процесс отдачи электронов, в результате чего степень окисления восстановителя повышается.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ - процесс присоединения электронов, приводящий к понижению степени окисления окислителя.

Эти процессы выражаются ЭЛЕКТРОННЫМИ УРАВНЕНИЯМИ, показывающими, как изменилась степень окисления элементов и сколько электронов при этом отдал восстановитель или принял окислитель.

Чтобы расставить коэффициенты в уравнении окислительно-восстановительной реакции, необходимо выполнить условие электронного баланса: число электронов, принятых окислителем, должно быть равно числу электронов, отданных восстановителем. Для этого к электронным уравнениям подбирают множители (их называют основными коэффициентами уравнения), уравнивающие число отданных и принятых электронов. Основные коэффициенты подставляют в уравнение перед формулами окислителя, восстановителя и их продуктов, учитывая внутримолекулярные индексы. Затем уравнивают число атомов других элементов в правой и левой частях уравнения, в последнюю очередь, по балансу атомов водорода определяют коэффициент перед формулой воды. Иногда формулы воды или среды (например H₂S0₄, NaOH и др.) необходимо поменять местами в уравнении реакции или вообще исключить из уравнения. Для проверки правильности подобранных коэффициентов подсчитывают баланс атомов кислорода.

ПРИМЕР 2

Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции, идущей по схеме

КМn0₄ + FeS0₄ + H₂S0₄ = MnS0₄ + Fe₂(S0₄)₃ + K₂S0₄ + Н₂0.

РЕШЕНИЕ

Элементами, атомы которых меняют степень окисления в этой реакции, являются марганец Мn и железо Fe. Степень окисления марганца понижается с +7 в КМn0₄ до +2 в MnS0₄ a железа - повышается с +2 в FeS0₄ до +3 - в Fe₂(S0₄)₃.

Составим электронные уравнения окислительного и восстановительного процессов, определим окислитель и восстановитель, подберем основные коэффициенты уравнения. Для железа сразу учтем внутримолекулярный индекс 2 в Fe₂(S0₄)₃

Перед формулами, содержащими Мn, справа и слева поставим коэффициент 2. Атомов железа в правой и левой частях уравнения в соответствии с электронным уравнением должно быть 10. Следовательно, коэффициент перед FeS0₄ - 10, а перед Fe₂(S0₄)₃ - 5. Расставим остальные коэффициенты уравнения

2 KMn0₄ + 10 FeSO₄ + 8 H₂S0₄ = 2 MnS0₄ + 5 Fe₂(S0₄)₃ + K₂S0₄ + 8 H₂0

Число атомов кислорода слева и справа равно 80, уравнение составлено правильно.

О способности того или иного вещества проявлять окислительные, восстановительные или двойственные свойства можно судить по степени окисления составляющих его атомов. Атом элемента в своей высшей степени окисления может ее только понизить, проявляя окислительные свойства, а в своей низшей степени окисления - только повысить, выступая в роли восстановителя. Атом элемента, имеющий промежуточную степень окисления, может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

ПРИМЕР 3

Исходя из степени окисления азота, серы и марганца в соединениях NH₃, HN0₂, HNO₃, H₂S, H₂S0₃, H₂S0₄, Mn0₂ и KMn0₄ определите, какие из них могут быть только восстановителями, только окислителями, и какие проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства.

РЕШЕНИЕ

Степень окисления азота в NH₃ - (-3) - низшая, в HN0₂ - +3 - промежуточная, b HN0₃ - +5 - высшая; серы в H₂S - (-2) - низшая, в H₂SО₃ - +4 - промежуточная, в H₂S0₄ - +6 - высшая; марганца в Мn0₂ - +4 - промежуточная, в КМn0₄ - +7 - высшая.

Отсюда: NH₃, H₂S - только восстановители; KMn0₄, HN0₃, H₂S0₄- только окислители; H₂S0₃, HN0₂, Мn0₂ - окислители и восстановители.

Важнейшими окислителями в окислительно-восстановительных реакциях являются: F₂ , 0₂, 0₃, H₂0₂ ,Сl₂, НСlO, НСlOз, H₂SO₄ (конц), HN0₃ ,"царская водка" (смесь концентрированных HN0₃ и HCl), N0₂, KMn0₄ , Mn0₂ , К₂Сr₂0₇, Cr0₃, Pb0₂ и другие.

Слабые окислители: I₂ , бромная вода (Вr₂ + Н₂0), S0₂, HN0₂ , Fe ³⁺ и другие.

Сильные восстановительные свойства проявляют: щелочные и щелочно-земельные металлы, Мg, Аl, Н₂ (особенно в момент выделения), НI и иодиды, НВr и бромиды, H₂S и сульфиды, NH₃, РНз, Н₃Р0₄, С, CO, Fe²⁺, Сr²⁺ и др.

Слабые восстановители: малоактивные металлы (Рb, Сu, Аg, Hg), HCl и хлориды, S0₂, HN0₂ и др.

Если в уравнении продукты реакции не даны, необходимо их вывести, пользуясь таблицами характерных степеней окисления (табл. 3.1 и 3.2) и знаниями свойств соединений конкретных химических элементов.

Если новая степень окисления элемента - положительна, то для вывода формулы продукта необходимо составить следующую цепочку формул соединений этого элемента

Э⁺ⁿ

Например,

а) А1⁺³

Для вывода продукта реакции важно взаимодействие оксида или гидроксида со средой. Так как гидроксид алюминия - амфотерный, то в кислой среде (например, H₂SO₄) продуктом будет сульфат алюминия, а в щелочной (КОН) - алюминат K[Al(OH₄)].

б) S⁺⁶

Формула среды может находиться только в одной части уравнения. Если выведенная формула продукта совпадает с формулой среды (H₂S0₄), то при наличии в растворе ионов К⁺ или Na⁺ продуктом будет соль серной кислоты, например Na₂S0₄.

в) Fе⁺³

В щелочной среде продуктом будет гидроксид Fe(OH)₃.

г) С⁺⁴

В кислой среде растворение С0₂ в воде затруднено, поэтому продуктом будетуглекислый газ (СО₂).

Если новая степень окисления элемента отрицательна, то цепочка для вывода формулы продукта должна быть следующей

Например,

а) Сl^-1

б)

При выводе продуктов окислительно-восстановительных реакций необходимо учитывать особенности поведения конкретных химических элементов. Так, марганец меняет свою степень окисления по-разному, в зависимости от среды. Мn⁺⁷ понижает свою степень окисления: в кислой среде до +2, в нейтральной - до +4, в сильно щелочной - до +6. Мn⁺² повышает степень окисления: в кислой среде - до +7, в нейтральной - до +4 и в щелочной - до +6.

При выводе продуктов соединений хрома (VI) следует помнить, что в щелочной среде устойчивы хроматы, а в кислой - дихроматы

Элементы с отрицательной степенью окисления обычно меняют ее в результате реакции на нулевую. Продуктом реакции в этом случае является простое вещество (Cl₂ , S, I₂ и др.).

Например

а) 2Сl^-1-2 = Сl₂;

б) S^-2-2 =S;

в) 2I^-1 - 2 = I₂ (в кислой среде).

Исключением является иодид-ион I^-1 в щелочнойсреде,так какI₂ в щелочной среде неустойчив:

I^-1 - 6 = I⁺⁵ (в щелочной среде).

Формулы остальных продуктов получают, объединяя оставшиеся ионы cионами среды.

Рассмотренный выше способ вывода продуктов применим лишь для окиcлительно-восстановительных реакций в растворах; продукты реакций в газовой фазе и в расплавах находят, пользуясь справочной литературой.

ПРИМЕР 4

Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции

Bi(N0₃)₃ + Сl₂ + NaOH ->

РЕШЕНИЕ

Элементами, меняющими степень окисления в этой реакции, являются висмут Bi и хлор CI. Реакция протекает в щелочной среде (NaOH). Cl₂ - один из сильнейших окислителей, степень окисления Cl понижается от 0 до -1 (табл. 1).

Элемент висмут указан в пятой группе периодической таблицы в главной подгруппе: характерными степенями окисления являются +З и +5. В этой реакции висмут выступает в роли восстановителя и повышает степень окисления от +3 до +5.

Составим электронные уравнения, подберем основные коэффициенты

Вывод продуктов

Сl^-

NO₃^- .

Запишемполное уравнение и подберем коэффициенты

1 Bi(NO₃)₃+1 Cl₂+6 NaOH =1 NaBiO₃=2 NaCl+3 H₂O

Проверка:15 “O” = 15 “O”.

ПРИМЕР 5

Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции

К₂Сr₂0₇ +NaN0₂ +H₂SO₄ –>

РЕШЕНИЕ

Степень окисления хрома в К₂Сг₂0₇ равна +6 – максимальная. К₂Сr₂0₇ может проявлять только окислительные свойства. В результате реакции степень окисления хрома снижается до +3 (табл.2).

Азот в NaN0₂ имеет промежуточную степень окисления (+3) и может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. NaN0₂ в этой реакции выполняет функции восстановителя, повышаяcтепень окисления азота до (+5)

Вывод продуктов

Запишемполное уравнение и подберем коэффициенты

K₂Cr₂0₇ + 3 NaNO₂ + 4 H₂S0₄ = Cr₂(S0₄)₃ + 3 NaN0₃ + K₂S0₄ + 4 H₂0.

Проверка: 29"0" = 29"0"

Контрольные задания (191-210)

Составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций: укажите окислитель, восстановитель, напишите электронные уравнения процессов окисления и восстановления, выведите формулы продуктов реакции, подберите коэффициенты.

191. KI+H_zO₂+H₂S0₄→ ; Fe₂(S0₄)₃+SO₂+H₂O

192. Na₂S + Na₂S0₃+HCl→ ; КМnО₄+KI + КОН→

193. NaBr + NaBr0₃+H₂S0₄→ ; Na₂Sn0₂+Bi(OH)₃→

194. Mn0₂+NaBi0₃+HN0₃→ ; Fe₂0₃+KN0₃+KOH→

195. Ni(OH)₃+HCl→ ; KMn0₄+KN0₂⁺H₂0→

196. Sn0₂+HN0₂+HCI→ ; Na₃Cr0₃+Pb0₂+NaOH→

197. KBr + H₂S0₄(конц.) → ; Fe(OH)₃ + Br₂ + KOH→

198. H₂0₂+KMnO₄+H₂SO₄→ ; AgN0₃+Na₂S0₃+NaOH→

199. FeS0₄+0₂+H₂S0₄→ ; Al + KN0₂+KOH→

200. CdS + HN0₃ → NO +.. ; Mn(OH)₂+Br₂+H₂0→

201. AI + K₂Cr₂0₇ + H₂S0₄ → ; Ni(OH)₂+Br₂+H ₂ O →

202. Mn0₂ +KI + H₂S0₄ → ;Bi(N0₃)₃ + Na₂Sn0₂ + NaOH→

203. Zn +H₃AsO₄ +HCI → ; Na₂S0₃ +KMn0₄+H₂0 →

204. Au + HNO₃ + HCI → ; NaCrO₂+H₂0₂ +NaOH –>

205. K₃As0₄+K₂S + H₂S0₄ → ; KCI0₃+Mn0₂ +KOH→

206. K₂Cr₂0₇+SnCl₂+HCl → ; Zn + KN0₂+KOH→

207. KMn0₄+(NH₄)₂C₂0₄+H₂S0₄ → ; H₂S+Cl₂ +H₂0 →

208. Kl + KN0₂ + H₂SO₄ → ; MnS0₄ + KMn0₄ + KOH →

209. FeS0₄ + HN0₃ + H₂S0₄ → ; KMn0₄ + Na₂S0₃ + КОН →

210. Mn(N0₃)₂ + РЬ0₂ + HN0₃ → ; Na₃Cr0₃ + Br₂ + NaOH →