ЗАНЯТИЕ № 6 ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов, называются окислительно-восстановительными. Таблица 1 Основные понятия и определения окислительно-восстановительных процессов Понятия и определения Степень окисления (окислительное число) – это условный заряд атома в соединении, вычисляемый из допущения, что все связи в этом соединении являются ионными, и равный числу электронов, смещенных от атома данного элемента (положительная степень окисления) или к атому данного элемента (отрицательная степень окисления) Примеры +1 +7 –2 +1 +6 –2 K Mn O4 , H2 S O4, –3 +1 N H3 , +1 +6 –2 K2 Cr2 O7 Восстановители – атомы, молекулы или ионы, от- о Al – 3e = Al3+ дающие электроны; процесс отдачи электронов называется окислением. Процесс окисления сопровождается увеличением степени окисления соответствующих элементов, входящих в состав восстановителя Окислители – атомы, молекулы или ионы, принио _ мающие электроны; Cl2 + 2e = 2Cl процесс присоединения электронов называется восстановлением Процесс восстановления сопровождается понижением степени окисления элементов, входящих в состав окислителя Соединения, в состав которых входят атомы элементов в своей максимальной положительной степени окисления, могут только восстанавливаться, выступая в качестве окислителей Соединения, содержащие элементы в их минимальной степени окисления, могут только окисляться, выполняя функцию восстановителей 71 +6 +4 +5 K2Cr2O7, PbO2, HNO3 –2 –3 H2S, NH3 Продолжение табл. 1 Понятия и определения Правила определения степени окисления атомов в свободном состоянии и в химических соединениях: 1) степень окисления атомов в молекулах простых веществ равна нулю; 2) алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекулах равна нулю, то есть молекула электронейтральна; 3) степень окисления атомов в простых ионных соединениях для данного иона равна по знаку и численному значению его электрического заряда; 4) алгебраическая сумма степеней окисления атомов в ионах равна электрическому заряду данного иона; 5) металлы в своих соединениях проявляют только положительные степени окисления; 6) постоянную степень окисления в соединениях проявляют: металлы главной подгруппы 1 группы периодической системы элементов (+1); металлы главной подгруппы 2 группы (+2); фтор (–1); водород во всех соединениях имеет степень окисления, равную плюс один (+1); исключение составляют гидриды металлов, где из-за всегда положительной степени окисления металлов, степень окисления водорода равна минус один (–1); кислород в соединениях имеет степень окисления, равную минус два (–2); исключения составляют: пероксиды – здесь кислород имеет степень окисления, равную минус один (–1); фторид кислорода – здесь кислород имеет степень окисления, равную плюс два (+2); дифторид кислорода – здесь кислород имеет степень окисления, равную плюс один (+1) 72 Примеры 0 0 0 0 F2, O3, Al, Cl2 +2 –1 Ca Cl2 1•(+2) + 1•(–1) = 0 +2 Ca 2+ –1 1– , Cl +6 –2 2– S O4 1•(+6) + 1•(–2) = –2 +2 +3 CoSO4, Fe2O3 +1 +1 LiCl, Na2SO4 +2 +2 –1 MgS, CaF2 +1 +1 +1 –1 HNO3, NH4OH, LiH, +2 –1 CaH2 –2 –2 –2 FeO, CH3OH, H2SO4 –1 –1 H2O2, Na2O2 +2 OF2 +1 O2F2 Метод электронного баланса Метод электронного баланса основан на сравнении степеней окисления атомов в исходных веществах и продуктах реакции и предусматривает соблюдение правила: число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем. Сущность метода электронного баланса рассмотрим на примере составления уравнения окислительно-восстановительной реакции. Пример. Определить коэффициенты в окислительно-восстановительной реакции H2O2 + KMnO4 + H2SO4 → O2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O. Основные этапы составления уравнения реакции: 1) определяются степени окисления элементов в соединениях, устанавливается окислитель и восстановитель: +1 –1 +1 +7 –2 +1 +6 –2 0 +2 +6 –2 +1 +6 –2 +1 –2 H2 O2 + K Mn O4 + H2 S O4 → O2 + Mn S O4 + K2 S O4 + H2 O. Из схемы реакции видно, что степень окисления кислорода повысилась от –1 до 0, следовательно, H2O2 – восстановитель и в процессе реакции окисляется. Степень окисления марганца меняется от +7 до +2, следовательно, KMnO4 – окислитель и в процессе реакции восстанавливается; 2) составляются электронные уравнения и находятся коэффициенты при восстановителе и окислителе (основные коэффициенты), то есть составляется электронный баланс: –1 0 2 O – 2 e = O2 +7 5 +2 Mn + 5e = Mn 2 3) основные коэффициенты переносятся в уравнение реакции 5H2O2 + 2KMnO4 + H2SO4 → 5O2 + 2MnSO4 + K2SO4 + H2O; 4) из сопоставления левой и правой частей находятся коэффициенты для остальных участников реакции в следующем порядке: сначала уравнивается число атомов металлов, далее – число атомов неметаллов (кроме водорода), в последнюю очередь уравнивается число атомов водорода. Окончательно уравнение будет иметь вид 5H2O2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5O2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O. Для проверки правильности подобранных коэффициентов подсчитывается баланс атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. 73 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ Цель работы. Знакомство с окислительно-восстановительными реакциями, окислителями и восстановителями, влиянием среды на направление протекания окислительно-восстановительных реакций. Опыт 1. Взаимодействие хлорида железа (ΙΙΙΙ) с иодидом калия Налейте в пробирку 2-3 мл раствора хлорида железа (ΙΙΙ) и добавьте несколько капель растворов иодида калия и крахмального клейстера. Наблюдайте появление синей окраски, указывающей на присутствие в растворе молекулярного йода: FeCl3 + KI → FeCl2 + I2 + KСl. Составьте электронные уравнения, укажите окислитель и восстановитель. Закончите уравнение реакции. Опыт 2. Взаимодействие перманганата калия с сульфитом натрия в различных средах 2.1. В кислой среде В пробирку с 1-2 мл раствора перманганата калия KMnO4, подкисленного несколькими каплями серной кислоты (2 н. раствор), прилейте 4-5 мл раствора сульфита натрия Na2SO3. Наблюдается исчезновение фиолетовой окраски, характерной для аниона MnO4‾. Реакция протекает по схеме KMnO4 + Na2SO3 + H2SO4 → MnSO4 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O. Составьте электронные уравнения, укажите окислитель и восстановитель, закончите уравнение реакции. 2.2. В нейтральной среде В пробирку налейте 1-2 мл перманганата калия и добавьте 4-5 мл сульфита натрия. Выпадает бурый осадок диоксида марганца. Реакция протекает по схеме KMnO4 + Na2SO3 + H2O → MnO2 + Na2SO4 + KOH. Составьте электронные уравнения, укажите окислитель и восстановитель, закончите уравнение реакции. 74 2.3. В щелочной среде В пробирку налейте 1-2 мл перманганата калия, такое же количество концентрированного раствора КОН (20 %) и добавьте раствор Na2SO3. KMnO4 + Na2SO3 + KOH → K2MnO4 + Na2SO4 + H2O. Составьте электронные уравнения, укажите окислитель и восстановитель, закончите уравнение реакции. Сделайте вывод об изменении степени окисления марганца в перманганате калия в зависимости от реакции среды (кислая, нейтральная, щелочная) с одним и тем же восстановителем. Опыт 3. Окислительно-восстановительные свойства пероксида водорода 3.1. Взаимодействие пероксида водорода с иодидом калия К 1-2 мл раствора иодида калия, подкисленного серной кислотой, добавьте такое же количество раствора пероксида водорода. Наблюдайте выделение свободного йода: KJ + H2O2 + H2SO4 → K2SO4 + J2 + H2O Составьте электронные уравнения, укажите окислитель и восстановитель, закончите уравнение реакции. 3.2. Взаимодействие пероксида водорода с перманганатом калия К подкисленному серной кислотой раствору перманганата калия прилейте по каплям раствор пероксида водорода, наблюдайте выделение кислорода: KMnO4 + H2SO4 + H2O2 → MnSO4 + O2 + K2SO4 + H2O Составьте электронные уравнения, укажите окислитель и восстановитель, закончите уравнение реакции. Укажите, какую роль выполняет пероксид водорода (окислителя или восстановителя) в опытах 3.1 и 3.2, сделайте вывод об окислительновосстановительных свойствах пероксида водорода. 75 КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ N 5 Вариант 1 1. Из приведенных ионов обладает свойствами только окислителя: 1) Cr2O72−; 2) CrO2−; 3) Cr3+; 4) Cr2+ 2. Используя метод электронного баланса, рассчитайте стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции: Au + HNO3 + HCl → AuCl3 + NO + H2O Коэффициент при HNO3 равен: 1) 1; 2) 2; 3) 3; 4) 4. Вариант 2 1. Из приведенных ионов проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства может: 1) Na+; 2) MnO4−: 3) ClO3−; 4) SO42− 2. Используя метод электронного баланса, рассчитайте стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции: As + Cl2 + H2O → H3AsO4 + HСl Коэффициент при Cl2 равен: 1) 2; 2) 5; 3) 8; 4) 10. Вариант 3 1. Из приведенных ионов может быть только восстановителем: 1) Fe3+; 2) Cl−; 3) NO2−; 4) PO43− 2. Используя метод электронного баланса, рассчитайте стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции: HJ + H2SO4 → J2 + H2S + H2O Коэффициент при J2 равен: 1) 2; 2) 4; 3) 6; 4) 8. Вариант 4 1. Из приведенных ионов может быть только окислителем: 1) Mn2+; 2) Mn3+; 3) MnO4−; 4) MnO42− 2. Используя метод электронного баланса, рассчитайте стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции: HСlO3 → ClO2 + HClO4 + H2O Коэффициент при HСlO3 равен: 1) 2; 2) 3; 3) 4; 4) 5 Вариант 5 1. Из указанных ионов проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства может: 1) SeO32−; 2) NO3−; 3) NH4+; 4) SO42− 2. Используя метод электронного баланса, рассчитайте стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции: S + HNO3 → H2SO4 + NO2 + H2O Коэффициент при H2O равен: 1) 1; 2) 2; 3) 3; 4) 6 76