Окислительно-восстановительные процессы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт транспорта

Кафедра ОиСХ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к контрольным заданиям по дисциплине «Химия»

для студентов нехимических специальностей

заочной формы обучения.

Часть III

Тюмень 2003

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: доцент к. х. н. Андрианова Л. И.

доцент к. х. н. Пнёва А. П.

доцент, к. х. н., Обухов В. М.

© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

2003 г.

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

1.1 Cтепень окисленности. Окисление и восстановление

Окислительно-восстановительные реакции – это реакции, в которых изменяется степень окисленности атомов, входящих в состав реагирующих веществ.

Степень окисленности (или окисления) - это тот условный заряд, который приобрел бы элемент, если предположить, что он принял или отдал то или иное число электронов.

Для определения степени окисленности (с.о.) элемента в соединении пользуются следующими правилами:

1) с.о. элемента в простом веществе равна нулю, например, в металле Cu⁰ ,или в H₂⁰ ,O₂⁰ ,N₂⁰ ,O₃⁰;

2) атомы кислорода в соединениях проявляют с.о. равную -2 (исключение составляют OF₂ , где с.о. равно +2, пероксиды, где с.о. равна -1 надпероксиды, где с.о. равна -0.5);

3) для водорода с.о. равна +1 (исключение - гидриды активных металлов, где с. о. равна -1);

4) для фтора с.о. равна -1;

5) во всех соединениях атомы металлов имеют только положительную с.о. При этом металлы главных подгрупп 1,2,3 групп имеют постоянную с.о. равную номеру группы;

6) алгебраическая сумма с.о. всех атомов в молекуле равна нулю, а в сложном ионе равна заряду иона. Например, определим с.о. серы в H₂SO₄. С.о. водорода равна +1, с.о. кислорода равна -2, тогда с.о. серы определяется из уравнения: 2(+1)+х+3(-2), отсюда х равно +4.

Таким образом можно определить с.о. элемента в любых соединениях.

Степень окисления иногда не совпадает с валентностью. Валентность определяет число связей, образованных данным атомом, поэтому знака не имеет. Степень окисления имеет знак: плюс или минус, который ставится перед числом. Например, в молекуле аммиака NH₃ валентность азота равна 3, а с.о. равна -3, в молекуле метана СН₄ валентность углерода равна 4, а с.о. равна -4.

Степень окисления позволяет охарактеризовать химические свойства вещества и определить, будет ли частица отдавать либо принимать электроны.

Если идет переход электронов с орбитали одной частицы на орбиталь другой, то процесс такой называется отдачей электронов или окислением (с.о. повышается). Присоединение электронов, сопровождающееся понижением степени окисления, называется восстановлением.

Частицы, отдающие электроны, называются восстановителями, а частицы, принимающие электроны - окислителями.

Например:

Cl^--e = Cl⁰ 2Cl^--2e^- = Cl₂ - процесс окисления

Cl⁰ +Cl⁰ = Cl₂ восстановитель

Cu ²⁺ +2e = Cu⁰ - процесс восстановления

окислитель

В каждой окислительно-восстановительной реакции имеется окислитель и восстановитель. К типичным восстановителям относятся:

1) простые вещества, атомы которых имеют малую электроотрицательность. Например, металлы и многие неметаллы (водород, углерод);

2) отрицательно заряженные ионы неметаллов (S^2- ,I^- , Br^- ,Cl^- ,и др.);

3) положитенльно заряженные ионы металлов в низкой степени окисления (Su²⁺ ,Fe²⁺ ,Cr²⁺ ,Mn²⁺ ,Cu⁺ и др.).

Окислителями могут быть простые вещества, атомы которых характеризуются высокой электроотрицательностью, например, кислород, катионы и анионы , содержащие атомы с высокой степенью окисления, например Fe³⁺ ,Pb⁴⁺ ,Au³⁺ , NO₃^- ,SO₄^2- ,CrO₄^2-. Соединения, содержащие элементы в высшей степени окисления, равной номеру группы, могут быть только окислителями. Соединения, содержащие элементы в низшей степени окисления, равной (№группы –8) (числу электронов, которые атом может присоединить на внешний энергетический уровень), могут быть только восстановителями. Если же вещество содержит элемент в промежуточной степени окисления, то в зависимости от условий проведения реакции, оно может быть и окислителем, и восстановителем. Например, нитрит калия KNO₂ , содержащий азот в с.о. равной +3, может как принимать электроны, так и отдавать их, пероксид водорода Н₂О₂ содержащий кислород в с.о. равной -1, может быть и восстановителем, и окислителем.

В химических окислительно-восстановительных реакциях окисление и восстановление взаимосвязаны. В ходе реакции восстановитель отдает свои электроны, а окислитель принимает. Число отданных электронов должно быть равно числу принятых электронов.

Если окислители и восстановители являются разными веществами, то такие реакции называются межмолекулярными. Например,

0 0 +4 -2

C + O₂ = CO₂

восстановитель окислитель

Если в реакциях окислитель и восстановитель представляют атомы одной и той же молекулы, то такие реакции называются внутримолекулярными. Например,

-3 +3 0

NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O;

+5 -2 -1 0

2KClO₃ = 2KCl^- + 3O_2.

В некоторых реакциях происходит одновременное увеличение и уменьшение степени окисления атомов одного и того же элемента. Такие реакции называют реакциями диспропорционирования (самоокисления, самовосстановления), например:

+6 +7 +4

3K₂MnO₄ + 2H₂O = 2KМnO₄ + MnO₂ + 4KOH ,

+6

где Мп является окислителем и восстановителем.

Характер окислительно-восстановительной реакции зависит от среды, в которой они протекают. Для создания кислой среды используют серную кислоту, а для создания щелочной среды – раствор гидроксида натрия.