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

FeSO4, 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 + SO42-

ОВР- пара среда

Рассмотрим порядок расстановки коэффициентов:

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

2 K+ + Cr2O72- + 2Na+ + SO32- + 2H+ + SO42- ® Cr+3 + SO42-.

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:

Cr2O72- ® Cr+3;

SO32- ® SO42-.

3. Уравниваем число атомов элементов, изменяющих степень

окисления:

Cr2O7 2- ® 2Cr+3;

SO32- ® SO42-.

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;

SO32- + 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

SO32- + H2O ® SO4 2- + 2H+ -2 + 0 ® -2 + 2

-2 - 2e ® 0

Итого:

Cr2O7 2+ 14H+ + 6e ® 2Cr+3 + 7H2O

SO32- + 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 SO32- + H2O - 2e ® SO4 2- + 2H+

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

Cr2O7 2- + 3SO32- + 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- + 3SO32- + 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+ + 3SO32- + 8H+ + 4SO42- ®

2Cr+3 + 3SO4 2-+ 4H2O + 2K+ + 6Na+ + 4SO42-

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- + CrO42-

Cr+3 + 3Cl- + K+ + BrO3- + Na + + OH- ® Br- + CrO42-.

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- ® CrO42- + 4H2O

1 BrO3- + 6e + 3H2O ® Br- + 6OH-



2Cr+3 + 16OH- + BrO3- + 3H2O ® 2CrO42- + 8H2O + Br- + 6OH-


Сокращаем введенные частицы (OH- и H2O ):

2Cr+3 + 10OH- + BrO3- ® 2CrO42- + 5H2O + Br-

и составляем молекулярное уравнение так же, как в примере 1 (пункты 8-10). В правой части уравнения получили заданные отрицательные частицы CrO42- 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.

Наши рекомендации