Окислительно-восстановительные

РЕАКЦИИ (ОВР)

Окислительно-восстановительными называются реакции, в результате которых изменяются степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Например:

_{+4 -1 +2 0}

MnO₂ + 4 HCl = MnCl₂ + Cl₂ + 2 H₂O.

Степень окисления. Окислители и восстановители

Степень окисления – это условный заряд атома в молекуле, рассчитанный в предположении, что все общие электронные пары смещены к более электроотрицательному атому.

Постоянную степень окисления в подавляющем большинстве соединений имеют следующие элементы:

· металлы главной подгруппы первой группы (+1)

· металлы главной подгруппы второй группы (+2)

· кислород (-2)

· водород –(+1).

Степень окисления атомов в простых веществах равна нулю.

При расчете степеней окисления исходят из того, что алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю (молекула электронейтральна), а в ионе – заряду иона.

Примеры. Рассчитаем степень окисления (с.о.) хрома в молекуле K₂CrO₄. Степень окисления кислорода равна (-2), калия – (+1), с.о. хрома примем равной “x”. “X” находим из уравнения:

2 × (+1) + 4 × (-2) + x = 0.

x = + 6.

Для расчета степени окисления хлора в ионе ClO₄^- составляем уравнение:

4 × (-2) + x = -1.

x = + 7.

Окислителем называют вещество или частицу, присоединяющую электроны. В результате ОВР окислитель восстанавливается, степень его окисления понижается. Восстановитель – это вещество или частица, отдающая электроны. Восстановитель в ходе реакции окисляется, степень его окисления повышается.

Только окислительные свойства проявляют кислород, фтор, а также вещества, в состав которых входят атомы в высшей положительной степени окисления. Высшая положительная степень окисления, за некоторыми исключениями, равна номеру группы Периодической системы, в которой находится элемент:

_{+7 +7 +5 +4}

KClO₄, KMnO₄, NaBiO₃, PbO₂

Высшая степень окисления = № группы

Только восстановителями в ОВР могут быть:

· металлы в свободном состоянии;

· вещества, в состав которых входят атомы в низшей степени

_{-2 -1 -3}

окисления (Na₂S, KI, NH₃).

Низшая отрицательная степень окисления элемента (неметалла) равна номеру группы минус 8 , в которой находится элемент.

Низшая степень окисления = № группы - 8

Например, низшая степень окисления азота составляет 5 – 8 = -3.

Как окислительные, так и восстановительные свойства проявляют:

· неметаллы, за исключением фтора и кислорода (I₂, S, P и др.);

· вещества, в состав которых входят атомы в промежуточной степени окисления

_{+2 +4 +3}

FeSO_4, Na₂SeO₃, Na₃PO₃

Составление уравнений окислительно-восстановительных

Реакций

Существуют разные методы составления уравнений ОВР. Для реакций, протекающих в растворах электролитов, используют метод электронно-ионного баланса. Рассматривают реакции в кислой, щелочной и нейтральной средах. Важно учитывать, что при составлении уравнений этим методом соблюдаются правила написания ионных уравнений (см. раздел “Электролиты”).

Пример 1. ОВР в кислой среде.

Как правило, среда создается добавлением разбавленной H₂SO₄.

K₂Cr₂O₇ + Na₂SO₃ + H₂SO₄ ® Cr⁺³ + SO₄^2-

ОВР- пара среда

Рассмотрим порядок расстановки коэффициентов:

1. Записываем левую часть уравнения в ионном виде согласно правилам написания ионных уравнений:

2 K⁺ + Cr₂O₇^2- + 2Na⁺ + SO₃^2- + 2H⁺ + SO₄^2- ® Cr⁺³ + SO₄^2-.

Такая запись необходима для того, чтобы увидеть реально существующие частицы в растворах и использовать их при составлении полуреакций.

2. Записываем схемы полуреакций для реально существующих частиц:

Cr₂O₇^2- ® Cr⁺³;

SO₃^2- ® SO₄^2-.

3. Уравниваем число атомов элементов, изменяющих степень

окисления:

Cr₂O₇ ^2- ® 2Cr⁺³;

SO₃^2- ® SO₄^2-.

4. Уравниваем число атомов кислорода в левой и правой частях полуреакций, при этом учитываем, что в кислой среде присутствуют ионы H⁺ и молекулы H₂O, в состав которых входят атомы кислорода.

Таблица 3. УРАВНИВАНИЕ КИСЛОРОДА В РАЗНЫХ СРЕДАХ

среда	схема уравнивания кислорода	примечание
кислая	nO-2 + 2nH+ ® nH2O	лишний кислород убирается в воду
щелочная	nO-2 + nH2O ® 2nOH-	лишний кислород убирается в два гидроксид-иона (2OH-)
нейтральная	nO-2 + 2nH+ ® nH2O или nO-2 + nH2O ® 2nOH-	лишний кислород убирается либо в воду как в кислой среде, либо в 2OH- как в щелочной среде, лишь бы в левой части уравнения была вода.

Правило: в кислой среде в ту часть уравнения полуреакций, в которой недостает “n” атомов кислорода, добавляем “n” молекул H₂O, а в противоположную часть записываем суммарное количество ионов H⁺

Cr₂O₇ ²+ 14H⁺ ® 2Cr⁺³ + 7H₂O;

SO₃^2- + H₂O ® SO₄ ^2- + 2H⁺.

5. Записываем число электронов, отданных восстановителем и

принятых окислителем, для этого считается суммарный заряд в левой и правой частях полуреакций и сравнивается:

Cr₂O₇ ²+ 14H⁺ ® 2Cr⁺³ + 7H₂O -2 + 14 ® 2*3 + 0

+12 + 6e ® +6

SO₃^2- + H₂O ® SO₄ ^2- + 2H⁺ -2 + 0 ® -2 + 2

-2 - 2e ® 0

Итого:

Cr₂O₇ ²+ 14H⁺ + 6e ® 2Cr⁺³ + 7H₂O

SO₃^2- + H₂O - 2e ® SO₄ ^2- + 2H⁺

6. Учитывая, что суммарное количество отданных и принятых электронов должно быть равно (принцип электронного баланса), умножаем первое уравнение на два, второе – на шесть и сокращаем на общий множитель – два:

1 2 Cr₂O₇ ^2- + 14H⁺ + 6e ® 2Cr⁺³ + 7H₂O

3 6 SO₃^2- + H₂O - 2e ® SO₄ ^2- + 2H⁺

7. Умножаем каждый член первой полуреакции на 1, второй – на 3 и суммируем:

Cr₂O₇ ^2- + 3SO₃^2- + 14H⁺ + 3H₂O ® 2Cr⁺³ + 3SO₄ ^2- + 7H₂O + 6H⁺.

8. Сокращаем подобные члены (те частицы, которые вводили,– H⁺ и H₂O) и получаем краткое ионное уравнение реакции:

Cr₂O₇ ^2- + 3SO₃^2- + 8H⁺ ® 2Cr⁺³ + 3SO₄ ^2-+ 4H₂O .

9. По левой части заданного уравнения подбираем недостающие ионы с учетом коэффициентов в левую и правую часть, получаем полное ионное уравнение:

2K⁺ + Cr₂O₇ ^2- + 6Na⁺ + 3SO₃^2- + 8H⁺ + 4SO₄^2- ®

2Cr⁺³ + 3SO₄ ^2-+ 4H₂O + 2K⁺ + 6Na⁺ + 4SO₄^2-

10. Получаем молекулярное уравнение: соединяем в молекулы противоположные по знаку ионы с учетом коэффициентов.

Если в правой части задана или получилась нейтральная частица, то она, естественно, ни с чем не соединяется и переписывается с полученным коэффициентом

Обратите внимание на то, что в левой части уравнения (пункт 1) в результате протекания ОВР исчезли ионы Cr₂O₇ ^2- , перешедшие в Cr⁺³, и частицы SO₃ ^2-, перешедшие в SO₄ ^2-. Поэтому ионы Cr⁺³ нужно соединить с SO₄ ^2- в молекулу Cr₂(SO₄)₃ и поставить перед формулой коэффициент 1 (соответственно 2Cr⁺³, полученным в правой части ионного уравнения (пункт 8)), а ионы SO₄ ^2- соединяем с ионами K⁺ и Na⁺. Все атомы водорода из левой части (8 атомов) содержатся в 4 H₂O, полученных в правой части:

K₂Cr₂O₇ + 3Na₂SO₃ + 4H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 3Na₂SO₄ + 4H₂O.

Пример 2. ОВР в щелочной среде.

Обычно среда создается добавлением гидроксида натрия или калия.

В этой среде присутствуют ионы OH^- и молекулы H₂O и , в отличие от кислой среды, нет ионов H⁺, потому в полуреакциях также не должно быть H⁺!

CrCl₃ + KBrO₃ + NaOH ® Br^- + CrO₄^2-

Cr⁺³ + 3Cl^- + K⁺ + BrO₃^- + Na ⁺ + OH^- ® Br^- + CrO₄^2-.

Пункты 1-3 и 5-8 первого примера для кислой среды соблюдаются и в этом случае. Различие – в пункте 4 по уравниванию атомов кислорода.

Правило для щелочной среды: см. табл.3 стр. 24

Недостающие в правой или в левой части “n” атомов кислорода вводим “2n” гидроксид-ионами (OH^- ), а в противоположную часть полуреакции записываем “n” молекул H₂O:

2 Cr⁺³ - 3e + 8OH^- ® CrO₄^2- + 4H₂O

1 BrO₃^- + 6e + 3H₂O ® Br^- + 6OH^-

2Cr⁺³ + 16OH^- + BrO₃^- + 3H₂O ® 2CrO₄^2- + 8H₂O + Br^- + 6OH^-

Сокращаем введенные частицы (OH^- и H₂O ):

2Cr⁺³ + 10OH^- + BrO₃^- ® 2CrO₄^2- + 5H₂O + Br^-

и составляем молекулярное уравнение так же, как в примере 1 (пункты 8-10). В правой части уравнения получили заданные отрицательные частицы CrO₄^2- и Br^- с коэффициентами 2 и 1 соответственно. Их нужно соединить с противоионами (Na⁺ или K⁺) из левой части уравнения:

2CrCl₃ + KBrO₃ + 10NaOH = KBr + 2Na₂CrO₄ +5H₂O + NaCl.

Пример 3. ОВР в нейтральной среде.

KMnO₄ + NaNO₂ + H₂O ® MnO₂ + NO₃^-;

^среда

K⁺ + MnO₄^- + Na⁺ + NO₂^- + H₂O ® MnO₂ + NO₃^-.

В нейтральной среде применяются правила уравнивания атомов кислорода для кислой и щелочной среды. Их используют так, чтобы в левых частях обеих полуреакций получились молекулы воды, а в правых – ионы H⁺ и OH^-. Это возможно, если недостающие атомы кислорода в левой части полуреакций вводить молекулами воды, а недостающие атомы кислорода в правой части – удвоенным числом OH^--групп.( см. табл.3 стр.24):

2 MnO₄^- + 3e + 2H₂O ® MnO₂ + 4OH^-

3 NO₂^- -2e + H₂O ® NO₃^- + 2H⁺

2MnO₄^- + 4H₂O + 3NO₂^- + 3H₂O ® 2 MnO₂ + 3NO₃^- + 8OH^- + 6H⁺

6H₂O + 2OH^-

Обратите внимание на то, что ионы водорода и гидроксид-ионы в правой части нужно объединить в молекулы воды и сократить их с молекулами воды в левой части уравнения:

2MnO₄^- + 3NO₂^- + H₂O ® 2MnO₂ + 3NO₃^- + 2OH^-.

Далее составляем молекулярное уравнение аналогично примерам 1 и 2:

2KMnO₄ + 3NaNO₂ + H₂O = 2MnO₂ ¯ + 3NaNO₃ + 2KOH.