avangard-pressa.ru

Рекомендации к изучению теоретического материала. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – это реакции, идущие с изменением степени окисления элементов в соединениях. - Химия

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – это реакции, идущие с изменением степени окисления элементов в соединениях.

Частицы (молекулы, ионы), в которых находится элемент, повышаю-щий в процессе реакции свою степень окисления, относятся к восстановите-лям, а частицы, в которых элемент понижает свою степень окисления – к окислителям. Процессы, сопровождающиеся отдачей или присоединением электронов, называются окислением или восстановлением соответственно.

Типы ОВР

Внутримолекулярные – функции окислителя и восстановителя выполняют атомы разных элементов, находящихся в составе одной и той же молекулы или одного и того же иона:

2KCl+5O3-2 = 2KCl-1 +3O20,

ClO3 = Cl-+O20,

Cu(N3)2 = Cu + 3N2,

2NH3·NI3 = 2NH3 + N2 +3I2.

Диспропорционирование – функции окислителя и восстановителя вы-полняют атомы одного и того же элемента в его промежуточной степени окисления, находящиеся как в составе одной и той же молекулы или одного и того же иона, так и в составе разных ионов или молекул:

Cl20+2KOH = KCl+1O + KCl-1 + H2O,

2 NO2 + H2O = HN+5O3 + HN+3O2.

Конпропорционирование – это внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых происходит выравнивание сте-пеней окисления атомов одного и того же элемента:

N-3H4N+5O3 = N2+1O+ 2H2O.

Межмолекулярные – функции окислителя и восстановителя выполняют атомы разных элементов, принадлежащие разным веществам (разным атом-ным или молекулярным частицам):

2HN+3O2 +H2S-2 = 2N+2O + S0 +2H2O

или

4Fe+2S-2+ 7O2 =2Fe2+3O3-2 +4S+4O2-2.

Реакции смешанного типа - диспропорционирование и внутримоле-кулярное окисление-восстановление:

5Ba(I+5O3-2)2 = Ba5(I+7O6)2 + 4I20 +9O20

ОВР подчиняются правилам материального баланса (количество атомов одного сорта в правой и левой частях уравнения одинаково) и пра-вилу баланса зарядов (суммарный заряд в левой и правой частях одинаков). Число отдаваемых и принимаемых электронов должно быть одинаково.

Метод ионно-электронного баланса

При составлении схем (ОВР) соединения, хорошо диссоциирующие в воде, записывают в виде ионов; малорастворимые, слабо диссоциирующие и летучие соединения - в виде молекул.

В ходе ОВР происходит изменение не только зарядов ионов, но часто и их состава, например: MnO4-1 = Mn2+; NO2-1 = NO3-1 и т.д.

В таких взаимных переходах в общем случае принимают участие моле-кулы воды или содержащиеся в растворе водородные (Н+) и гидроксильные (ОН-) ионы. Во взаимодействие с молекулами или ионами восстановителя и окислителя могут вступать или, наоборот, быть продуктами процесса в: нейтральной среде – Н+, ОН- ионы и молекулы Н2О;

кислой среде – Н+ ионы и молекулы Н2О;

щелочной среде - ОН- ионы и молекулы Н2О.

Продукты реакции определяют, исходя из химических свойств реаги-рующих веществ, несколько из которых можно представить в виде отдель-ных схем. Для окислителя и восстановителя составляются электронно-ион-ные уравнения, которые затем суммируются в общее ионно-молекулярное уравнение.

Этапы составления уравнений:

1) записывают общую молекулярную схему всего процесса с указанием окислителя, восстановителя и продуктов их взаимодействия (при необхо-димости продукты взаимодействия находят по схемам перехода ионов в различных средах):

К2Сr2O7+ HCl(конц.) = CrCl3 + Cl2 + Н2О

НСl в данном случае – восстановитель, солеобразователь и среда (кислая).

2) отмечают, что в кислой среде в процессе окисления-восстановления участвуют ионы Н+ и молекулы Н2О; а также что сильные электролиты запи-сывают в виде ионов (Сr2O72-, Сr3+, Cl-), а слабые электролиты, нераст-воримые вещества и газы – в молекулярном виде (Сl2).

3) составляют раздельно ионно-молекулярные уравнения процессов окисления и восстановления в такой последовательности:

а) уравнивают число атомов всех элементов в левой и правой частях уравнения, исключая кислород и водород:

Сr2O72- = 2Сr3+,

2Cl-1 = Cl20;

б) уравнивают число атомов кислорода, используя молекулы воды (в кислой среде) или группы ОН- (щелочной среде), число атомов водорода уравнивают за счет ионов Н+ (в кислой среде) и молекул воды (в щелочной). В нейтральной среде молекулы Н2О можно использовать для уравнивания количества атомов кислорода или водорода только со стороны исходных веществ ОВР, а со стороны продуктов реакции – одну из заряженных частиц (Н+ или ОН-):

Сr2O72- + 14Н+ = 2Сr3+ + 7Н2О;

в) уравнивают заряды с помощью прибавления или отнятия электронов в левой части ионно-молекулярных уравнений:

Сr2O72- + 14Н+ + 6ē = 2Сr3+ + 7Н2О,

2Cl- - 2ē = Cl20;

4) устанавливают баланс электронов в уравнениях путём подбора основных коэффициентов по правилу наименьшего кратного:

Сr2O72- + 14Н+ + 6ē = 2Сr3+ + 7Н2О 2 1

2Cl- - 2ē = Cl20 6 3

5) суммируют ионно-молекулярные уравнения с коэффициентами в общее уравнение:

Сr2O72- + 14Н+ + 6Cl- = 2Сr3+ + 7Н2О + 3Cl2;

6) записывают реакцию в молекулярном виде, добавляя в правую и ле-вую части суммарного (общего) ионно-молекулярного уравнения одинаковое число ионов, не участвующих в процессах окисления и восстановления, но присутствующих в растворе:

K2Cr2O7 + 6HCl + 8HCl = 2CrCl3 + 3Cl2 + 2KCl + 7H2O,

8HCl – дополнительные, они не окисляются, а связываются с ионами Cr3+ и К+. В итоге:

K2Cr2O7 + 14HCl (конц.) = 2CrCl3 + 3Cl2 + 2KCl + 7H2О.

Аналогично разбираются примеры в щелочной и нейтральной среде, а также с участием Н2О2.

7.2 Примеры решения типовых задач

Пример 1. Запишите уравнение реакции взаимодействия нитрита натрия с бихроматом калия в щелочной среде.

Решение:

а) устанавливаем, что в реакции K2Cr2O7 – окислитель, NaNO2 – восстановитель, КОН – среда;

б) записываем уравнение восстановления в ионно-молекулярном виде, при этом вначале устанавливаем продукт восстановления по схемам ОВР – это ион [Cr(OH)6]3-, уравниваем количество атомов хрома и проверяем мате-риальный баланс атомов кислорода и водорода (слева – 7 кислорода и 0 водорода (условный заряд -14), а справа – 12 кислорода и 12 водорода (ус-ловный заряд -12)) – недостающий отрицательный условный заряд справа компенсируем двумя группами ОН-, а количество недостающих атомов водо-рода слева – за счёт семи молекул Н2О, затем в полуреакции проверяем ба-ланс зарядов ионов и добавляем 6 электронов, чтобы суммарный заряд ис-ходных веществ и продуктов реакции был одинаков:

Cr2O72- + 7Н2О + 6ē = 2[Cr(OH)6]3- + 2ОН-;

в) устанавливаем продукт окисления – это ион NO3-, записываем уравнение окисления, проверяем материальный баланс атомов кислорода (слева – 2, а справа – 3) – недостающее количество атомов кислорода в ще-лочной среде компенсируем удвоенным количеством групп ОН-, а в правой части недостающее количество атомов водорода – молекулой Н2О; затем проверяем баланс зарядов и отнимаем 2 электрона, чтобы суммарный заряд исходных веществ и продуктов реакции был одинаков:

NO2- + 2OH- - 2 ē = NO3- + H2O;

г) количество принятых и отданных электронов должно быть одина-ково, поэтому умножаем каждый член уравнения окисления на 3, а каждый член уравнения восстановления – на 1. Суммируем уравнение окисления с уравнением восстановления:

1 Cr2O72- + 7Н2О + 6ē = 2[Cr(OH)6]3- + 2ОН-

3 NO2- + 2OH-- 2 ē = NO3-+ H2O

Cr2O72- + 7Н­2О + 3NO2-+ 6OH-= 2[Cr(OH)6]3- + 2ОН- + 3NO3-+ 3H2O.

Сокращаем количество одинаковых молекул и ионов в правой и левой частях уравнения и в результате получаем ионно-молекулярное уравнение ОВР:

Cr2O72- + 4Н­2О + 3NO2- + 4OH-= 2[Cr(OH)6]3- + 3NO3-;

д) записываем молекулярное уравнение, добавляем недостающие кати-оны и анионы, имеющиеся в растворе, но не принимающие участие в ОВР, учитывая, что для связывания анионов следует использовать катион калия:

K2Cr2O7 + 3NaNO2 + 4KOH + 4H2O = 2K3[Cr(OH)6] + 3NaNO3.

Пример 2. Запишите реакцию взаимодействия сульфита натрия с пер-манганатом калия в нейтральной среде.

Решение

а) устанавливаем, что в реакции KMnO4 – окислитель, Na2SO3 – восста-новитель, Н2O – среда; продуктами окисления-восстановления в этой реак-ции (согласно схеме ОВР) будут оксид марганца (VI) и сульфат натрия;

б) записываем уравнение восстановления с учётом того, что в нейт-ральной среде для уравнивания количества атомов кислорода и водорода в полуреакциях молекулы воды пишутся на стороне исходных веществ, а час-тицы Н+ и ОН- – на стороне продуктов реакции

MnO4- + 2H2O + 3 ē = MnO2 + 4OH-,

при этом недостаток условного заряда на кислороде в молекуле MnO2 (-4) по сравнению с условным зарядом на кислороде в ионе MnO4- (-8), компенсируем прибавлением в правую часть уравнения 4OH-, а количество атомов водорода слева уравниваем добавлением 2Н2О;

в) записываем уравнение окисления по аналогичному принцип

SO32- + H2O - 2 ē = SO42- + 2H+;

г) количество принятых и отданных электронов должно быть одина-ково, поэтому умножаем каждый член уравнения окисления на 3, а каждый член уравнения восстановления – на 2. Суммируем уравнение окисления с уравнением восстановления

2 MnO4- + 2H2O + 3 ē = MnO2 + 4OH-

3 SO32- + H2O - 2 ē = SO42- + 2H+

2MnO4- + 4H2O + 3SO32- + 3H2O = 2MnO2 + 3SO42- + 8OH-+ 6H+;

д) ионы Н+ и ОН- в нейтральной среде стягиваются с образованием мо-лекул воды

2MnO4- + 3SO32- + 7H2O = 2MnO2 + 3SO42- + 2OH-+ 6H2О,

а затем молекулы воды в обеих частях уравнения сокращаются

2MnO4-+ 3SO32- + H2O = 2MnO2 + 3SO42- + 2OH-

е) записываем молекулярное уравнение:

2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O = 2MnO2 + 3Na2SO4 + 2KOH.

Лабораторная работа