Цель: изучить окислительно-восстановительные реакции и

Лекция 4
КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ И ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ
СВОЙСТВА
Цель: изучить окислительно-восстановительные реакции и влияние
различных факторов на их протекание
Учебные вопросы:
1. Окислительно-восстановительные реакции. Степень окисления.
Процессы окисления и восстановления.
2. Типичные окислители и восстановители.
3.Методы составление уравнений окислительно-восстанвовительных
реакций
4.Типы окислительно-восстановительных реакций
5. Влияние различных факторов на их протекание окислительновосстановительные реакции.
6. Окислительно-восстановительные потенциалы. Направление
окислительно-восстановительных реакций.
Учебная информация:
Окислительно-восстановительные свойства атомов связаны с
положением элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева. Простые
вещества – неметаллы обладают большими окислительными свойствами, а
металлы – большими восстановительными свойствами. С уменьшением
радиуса атома или иона увеличивается прочность связи электрона с ядром,
что приводит к ослаблению восстановительной и усилению окислительной
способности. В периодах с увеличением порядкового номера
радиус
атомов уменьшается, т.е. происходит ослабление восстановительных и
усиление
окислительных свойств. В главных подгруппах наблюдается
усиление восстановительных свойств элементов в направлении сверху
вниз. У элементов побочных групп незначительный рост радиуса при
значительном увеличении заряда ядра приводит не к увеличению, а к
уменьшению восстановительных свойств, т.е. к ослаблению активности
металла. Способность атомов элементов окисляться или восстанавливаться
зависит от их способности “отдавать” или “присоединять” электроны,
cамыми сильными восстановителями являются элементы, находящиеся в
начале периода и в конце главной подгруппы.
Окислительно-восстановительными
реакциями
называются
реакции, в которых происходит изменение степени окисления атомов или
ионов реагирующих веществ, т.е. происходит переход электронов от одних
атомов к другим. В окислительно-восстановительных реакциях протекают
одновременно
два
взаимно-связанных
процесса:
окисление
и
восстановление.
Oкисление – процесс отдачи электронов атомом, молекулой или
ионом, при этом происходит увеличение степени окисления:
Ca0 – 2e → Ca+2,
2Br-1 – 2e → Br20
Восстановители - вещества, отдающие электроны в процессе
химической реакции.
Bосстановление –
процесс присоединения электронов атомом,
молекулой или ионом, при этом происходит понижение степени окисления:
S+4 + 2e → S+2,
Cl20 + 2e → 2Cl-1
Окислители - вещества, присоединяющие электроны в процессе
химической реакции.
Уравнения, которые выражают процессы окисления и восстановления
называются электронными уравнениями.
СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ
Степень окисления -
условное число (со знаком + или -),
показывающее распределение электронной плотности в данной молекуле, т.е.
условный заряд атомов в молекуле, вызванный смещением электронной
плотности в сторону атомов с большей электроотрицательностью. При этом
количество оттянутых от атома электронных пар соответствует его
положительной степени окисления, а количество притянутых к атому
электронных пар - отрицательной степени окисления.
При
определении
степени
окисления,
пользуются
следующими
правилами:
1.Степень окисления атомов в простых веществах равна нулю, например: О20,
N20, С0, Na0;
2. Степень окисления атома водорода в соединениях равна (+1), (кроме
гидридов металлов, в которых она равна (-1));
3. Степень окисления атома кислорода в соединених равна (-2), кроме
пероксидов (-1), фторида кислорода OF2 (+2);
4. Алгебраическая сумма всех степеней окисления атомов, входящих в в
состав молекулы, всегда равна нулю, т. e.
молекулы в целом
электронейтральны
+1 -1
+1 -2
+1 +7 -2
+1 +6 -2
+1+5-2
+1+6 -2
H2O2, H2O, KMnO4, K2Cr 2O7, HNO3 , H2SO4
5. Алгебраическая сумма степеней окисления атомов, входящих в
состав иона, равна заряду иона.
(P+5O)-3
(Cl+5O)-
Высшей степенью окисления элемента называется наибольшее
значение степени окисления, которое может принимать данный элемент,
низшей степенью окисления элемента – наименьшее значение. Остальные
степени окисления называются промежуточными.
ТИПИЧНЫЕ ОКИСЛИТЕЛИ И ВОССТАНОВИТЕЛИ
Окислительно-восстановительные свойства атомов зависят от ряда
факторов и, прежде всего, от величины степени окисления: если элемент
находится в высшей степени окисления, то он может быть только
окислителем; если в низшей степени окисления, то – восстановителем; если в
промежуточной степени окисления, то может проявлять окислительновосстановительную двойственность. Например, азот может иметь следующие
степени окисления:
+5
HNO3
+4
NO2
+3
HNO2
+2
NO
N2O
+1
N2
0
NH3
-3
высшая
промежуточные степени окисления
низшая
ст.окисл.
ст.окисл
(окислитель)
(восстанвоивтель)
Простые вещества – неметаллы обладают окислительными
свойствами, а металлы –восстановительными свойствами.
К важнейшим окислителям относятся соединения, имеющие в своем
составе металлы и неметаллы в высшей степени окисления (H2SO4, HNO3 ,
KCIO3, K2Cr2O7, KMnO4 и др.)
К важнейшим восстановителям относятся соединения, имеющие в
своем составе неметаллы в низшей степени окисления (HI, KI, HCl, H2S и
др.), металлы (Mg, Zn и др.), водород.
Вещества, содержащие атомы в промежуточных степенях окисления
(SO2, H2SO3, HNO3, и др.), способны как повышать, так и понижать степень
окисления, т.е. могут быть
как окислителями так
восстановителями в
зависимости от свойства другого вещества, участвующего в реакции.
В пероксиде водорода Н2О2 степень окисления атомов кислорода равна
–1, поэтому это соединение может играть роль окислителя:
Н2О2 + 2е + 2Н+ = 2Н2О
или роль восстановителя: Н2О2 –2е = О2 + 2Н+
СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ОКИСЛИТЕЛНОВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ
Для составления уравнений реакций окисления-восстановления, применяют метод электронного баланса или ионно-электронный метод (метод
полуреакций). Коэффициенты в уравнениях окислительно-восстановительных реакций подбирают с таким расчетом, чтобы наступил баланс по
электронам, т.е. число электронов, отданных восстановителем, должно
равняться числу электронов, присоединенных окислителем.
Метод электронного баланса -
осуществляется в следующей
последовательности:
1. Составляют схему окислительно-восстановительной реакции и
находят атомы, изменяющие степени окисления в результате реакции.
+6
-2
+3
0
K2Cr2O7 +Na2S +H2SO4→ Cr2(SO4)2 +S + K2SO4 + Na2SO4 +H2O
2. Составляют электронные уравнения процессов окисления и
восстановления, соблюдая законы сохранения числа атомов и зарядов в
каждой полуреакции.
2Cr+6 + 6e →2Cr+3
1
восстановление
3
окисление
6
S-2 – 2e→S0
Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть
равно числу электронов, которое присоединяет окислитель. Общее
наименьшее кратное для отданных и принятых электронов шесть.
3.
Ставят основные коэффициенты в уравнение перед окислителем и
восстановителем и продуктами окисления и восстановления.
K2Cr2O7 +3Na2S +H2SO4 →Cr2(SO4)2 +3S + K2SO4 + Na2SO4 +H2O
4.
Уравнивают продукты, не изменившие степени окисления своих
атомов в следующей последовательности:
а) катионы металлов;
б) анионы кислотных остатков;
в) катионы водорода;
г) кислород (по нему проверяется баланс)
K2Cr2O7 +3Na2S +7H2SO4= Cr2(SO4)2 +3S + K2SO4 + Na2SO4 +7H2O
Если молекула окислителя или восстановителя расходуется также на
связывание получающихся веществ, например, для реакции:
0
+5
+2
+2
Cu + HNO3 + HNO3 → Cu(NO3)2 + NO + Н2О
прежде всего, рассчитывают коэффициенты для окислителя и восстановителя
и продуктов окисления и восстановления.
Cu0 – 2e → Cu+2
3 восстановитель
6
N+5 + 3e → N+2
0
2 окислитель
+5
+2
+2
3Cu + 2HNO3 + HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO+ Н2О
восстановитель
окисли-
продукт
тель
окисления
продукт
восстановления
Затем определяют дополнительное количество молей кислоты, которое
было израсходовано на образование соли Cu(NO3)2:
3Cu + 2HNO3 + 6HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO+ 4Н2О
на образование
соли
Окончательная запись уравнения:
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO+ 4Н2О
Ионно-электронный метод используется для подбора
коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций,
протекающих в водном растворе при участии сильных электролитов. Он
осуществляется в следующей последовательности:
1.
Записывают уравнение реакции в молекулярном и ионном виде:
KMnO4 +KI +H2SO4 → MnSO4 +I2+K2SO4 + H2O
К+ + MnO4- + К+ + I- + 2H+ + SO4-2 → Mn+2 + SO4-2 + I20 +2 К+ + SO4-2 + H2O
2. Записывают формулы ионов и молекул, которые принимают
участие в реакции в качестве восстановителя или окислителя в ионном
виде:
MnO4- + I- + H+ → Mn+2 +I20 +H20
3. Составляют электронные уравнения полуреакций, подбирают
дополнительные множители:
MnO4- +5e +8H+ → Mn+2 + 4 H20
2
восстановление
10
2I- + 2e → I20
5
окисление
Если исходный ион или молекула содержит больше атомов кислорода,
чем
продукт реакции, то избыток атомов кислорода в кислой среде
связывается ионами H+ в молекулы воды; в нейтральной или щелочной среде
– молекулами воды в гидроксильные группы ОН-.
Если исходный ион или молекула содержит меньше атомов кислорода,
чем
продукт реакции, то недостаток атомов кислорода в кислой и
нейтральной среде компенсируется за счет молекул воды; в щелочной среде
– за счет гидроксильных групп ОН-.
4. Составляют ионное уравнение реакции, суммируя уравнения
полуреакций:
2MnO4- +10I- + 16H+ → 2Mn+2 +5I20 +8H20
5. Переносят коэффициенты в молекулярное уравнение, подбирают
коэффициенты для веществ, отсутствующих в ионном уравнении и
проводят проверку (обычно по числу атомов кислорода)
2KMnO4 +10KI +8H2SO4= 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8Н2О
ТИПЫ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ
По механизму протекания процессов окислительно-восстановительные реакции делятся на следующие типы:
Межмолекулярные
окислительно-восстановительные
реакции
-окислитель и восстановитель входят в состав молекул различных веществ.
+6
+2
+3
+4
2CrO3 + 3MnO → Cr2O3 +3MnO2
2Cr+6 + 6e =2Cr+3
1 окислитель
6
Mn+2 – 2e = Mn+4
3 восстановитель
Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции изменяются степени окисления у разных атомов, входящих в стостав
мелекулы.
-3
+6
0
+3
(NH4)2Cr2O7 → N2+ Cr2O3 + 4H2O
2N-3– 6e = N2
1
восстановитель
6
2Cr+6 + 6e =2Cr+3
1
окислитель
Реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления)
– одновременно изменяются степени окисления атомов одного и того же
элемента.
+4
+6
-2
2 K2SO3 → 3 K2SO4+ K2S
S+4 – 2e = S+6
3
восстановитель
1
окислитель
6
S+4 + 6e = S-2
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ХОД ОКИСЛИТЕЛЬНОВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ
На окислительно-восстановительные реакции влияют следующие
факторы:
Среда. В зависимости от того, в какой среде протекает реакция, образуются
различные продукты окисления или восстановления.
a) нейтральная среда
+7
+3
+4
+5
2KMnO4 + 3NaNO2+ H2O → 2MnO2 + 3NaNO3 +2KOH
б) щелочная среда
+7
+3
+6
+5
2KMnO4 + NaNO2+ 2KOH → 2K2MnO4 + NaNO3 + H2O
в) кислая среда
+7
+3
+2
+5
2KMnO4 + NaNO2+ 8H2SO4→ 2MnSO4 + NaNO3 + 6K2SO4 + H2O
Концентрация окислителя или восстановителя
0
+6
+2
-2
a) 4Zn+5H2SO4(к) → 4ZnSO4 + H2S + 4H2O
0
б)
+1
+2
0
Zn+H2SO4(р) → ZnSO4 + H2
Природа окислителя и восстановителя
0
a)
+5
-3
4Сa + 9HNO3(р) → 4Ca(NO3)2 + NH3 + 3H2O
0
б)
+2
+5
+2
+2
3Cu + 8HNO3(р) → 3Cu(NO3)2 + 2NO+ 4Н2О
Температура
0
a)
-
+
CI2 + 2KOH → KCI +KCIO + H2O
0
-
+5
б)
В
3CI2 + 6KOH 5KCI +KCIO3 + 3H2O
стехиометрических
расчетах
окислительно-восстановительных
процессов используют окислительные и восстановительные эквивалентные
массы, которые определяются по формуле:
,
где mэ – эквивалентная масса окислителя (восстановителя);
М – мольная масса окислителя (восстановителя);
n – число электронов, принятых одной молекулой окислителя (отданных
одной молекулой восстановителя).
В зависимости от условий реакции окислительно-восстановительные
эквивалентные массы могут иметь различные значения.
НАПРАВЛЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ
Количественной
характеристикой
окислительно-восстановительной
активности служит величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы
определяются по таблице. Чем выше алгебраическая величина потенциала,
тем выше окислительная способность данного вещества в высшей степени
окисления и наоборот, тем лучшим восстановителем является соединение в
низшей степени окисления.
При стандартных условиях потенциал системы определяется по
формуле Нернста:
где Е0 – стандартный окислительно-восстановительный потенциал, В;
n – число электронов, принимающих участие в данной реакции;
сокис – концентрация окисленной формы;
свосст. – концентрация восстановленной формы.
Если KMnO4 окисляется в кислой среде согласно реакции
MnO4- + 8H+ + 5e → Mn+2 +4 H2O,
то окислительно-восстановительный потенциал системы определяется по
уравнению:
Условием
протекания
окислительно-восстановительной
реакции
является положительное значение разницы окислительно-восстановительных
потенциалов:
Е0 = Е0окисл. – Е0восст. >0
Зная
окислительно-восстановительные
потенциалы,
можно
определить направление течения реакции.
Например: Определите можно ли в качестве окислителя в кислой
среде использовать K2Cr2O7
в следующих процессах при стандартных
условиях:
1) 2Cl- -2e- = Cl2,
E0 = 1,36 B
2) 2I- -2e- = I2,
E0 = 0,54 B
Определим разность потенциалов:
1)
Е0 = Е0окисл. – Е0восст = 1,33 – 1,36 = - 0,03 В
2)
Е0 = Е0окисл. – Е0восст = 1,33 – 0,54 = 0,79 В
K2Cr2O7 можно использовать в качестве окислителя в кислой среде только в
процессе 2I- -2e- = I2, т.к. в данном случае Е0 >0
Резюме по теме:
Окислительно-восстановительными
реакциями
называются
реакции, в которых происходит изменение степени окисления атомов или
ионов реагирующих веществ, т.е. происходит переход электронов от одних
атомов к другим. В окислительно-восстановительных реакциях протекают
одновременно
два
взаимно-связанных
процесса:
окисление
и
восстановление.
Уравнения, которые выражают процессы окисления и восстановления
называются электронными уравнениями. Окислительно-восстановительные
реакции уравнивают методом электронного баланса и ионно-электронным
методом.
Вопросы для самопроверки
1.
Что называется процессом окисления, восстановления.
2.
Какие вещества могут быть окислителями, восстановителями ?
3.
Какие типы окислетельно-восстановительных реакций вы знаете?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1.
2.
3.
4.
Коровин Н.В.. Общая химия: Учебн. Для техн. Направл. и спец.вузов–
М.: Высш. 2004 -560
Глинка. Н.А. «Химия» -Л.:2006– 702 с.
Фролов В.В.Химия: Уч. пособ.для втузов. М.: Высш. Шк..2002 -527 с.
Синицына И.Н., Тимошина Н.М.
Методические указания к
лабораторной работе «Окислительно-восстановительные реакции».
СГТУ, БИТТУ – 2009