ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ (ОВР)

СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ОВР МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННОГО БАЛАНСА

 

Окислительно-восстановительные реакциипротекают с изменением степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ.

Окислитель – вещество, в котором атомы понижают степень окисления. Атомы окислителя присоединяют электроны, участвуя в процессе восстановления.

S⁺⁶ +2 e^-à S⁺⁴

N⁺⁵ +8 e^-à N^-3

Восстановитель– вещество, в котором атомы повышают степень окисления. Атомы восстановителя отдают электроны, участвуя в процессе окисления.

Na⁰ -1 e^-à Na⁺¹

Cl^- – 1 e^-à Cl⁰

При окислительно-восстановительной реакции (ОВР) происходит одновременно и окисление, и восстановление. Причем число электронов, отданных восстановителем, и принятых окислителем, равное. Это положение лежит в основе метода электронного баланса, при помощи которого можно составлять уравнения ОВР.

Окислителями являются вещества, содержащие атомы химических элементов в максимально высокой степени окисления (максимальная степень окисления соответствует полному отсутствию электронов на внешнем энергетическом уровне). Восстановителями являются вещества, содержащие атомы в минимальной степени окисления (это соответствует полному завершению октета электронов на внешнем энергетическом уровне).

Окислители: HN⁺⁵O₃, H₂S⁺⁶O₄, K₂Cr⁺⁶O₄, KMn⁺⁷O₄, F₂⁰, катионы H⁺, Ca⁺²,Fe⁺³ и другие.

Восстановители: N^-3H₃, H₂S^-2, I^-1, C^-4H₄, атомы металлов.

Если вещество содержит атомы химических элементов в промежуточной степени окисления, то это вещество проявляет окислительно-восстановительную двойственность, то есть может являться и окислителем, и восстановителем (в зависимости от окислительно-восстановительной природы реагирующих с ним веществ). Это, как правило, металлы с переменной степенью окисления (Fe⁺², Mn⁺⁴, Cr⁺², Cr^+3, Cu⁺¹ ) и неметаллы с невысокой степенью окисления ( N⁰, H⁰, S⁰, S⁺⁴).

Задание 1. Докажите, что молекула воды проявляет окислительно-восстановительную двойственность.

Подтвердите свои выводы уравнениями реакций.

H₂⁺O^-2 Атомы водорода находятся в максимально высокой степени окисления, следовательно, они проявляют окислительные свойства. Атом кислорода, наоборот, имеет минимальную степень окисления, следовательно, он проявляет восстановительные свойства. Молекула воды проявляет окислительно-восстановительную двойственность.

 

2 H₂⁺O + 2 Na = 2 NaOH + H₂⁰↑

^{окислитель}

2 H₂O^-2 + 2 F₂ = 4 HF + O₂⁰↑

^{восстановитель}

Задание 2. Определите степени окисления всех атомов химических элементов в соединениях:

а) (NH₄)₂HPO₄

б) Ba (MnO₄)₂

а) Рассмотрим отдельные ионы (постоянные по составу, указанные в таблице растворимости) NH₄⁺ и РО₄^3-. Определим степени окисления атомов азота и фосфора в названных ионах.

NH₄⁺x + (+1) · 4 = +1

x = – 3

РО₄^3-x + (– 2) · 4 = – 3

x = + 5

Просчитаем сумму степеней окисления атомов всех элементов с учетом количества атомов в соединении. Если сумма будет равняться нулю, то степени окислении определены правильно.

( N^-3H₄⁺ )₂H⁺P⁺⁵O₄^-2

(– 3) · 2 + (+ 1) · 8 + (+ 1) · 1 + (+ 5) · 1 + (– 2) · 4 =

= – 6 + 8 + 1 + 5 – 8 = 0

б) Атом бария и кислорода в соединениях имеют чаще всего постоянные степени окисления: + 2 и – 2 соответственно. Нужно рассчитать степень окисления атома марганца.

Ba⁺²(MnO₄^-2)₂ + 2 + x + (– 2) · 8 = 0

+ 2 + x – 16 = 0

x – 14 = 0

x = + 14

Так как в составе соединения находятся 2 атома марганца, суммарный заряд + 14 делим пополам. Следовательно, степень окисления атома марганца равна + 7.

Задание 3. Составить уравнение окислительно -восстановительной реакции. Указать окислитель и восстановитель.

Zn + HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + N₂↑ + H₂O.

 

Определим степени окисления атомов в исходных веществах и в продуктах реакции.

Zn⁰ + HN⁺⁵O₃ = Zn⁺²(NO₃)₂ + N₂⁰ + H₂O

Составим электронный баланс, уравнивая количество отданных и принятых электронов.

Zn⁰ – 2e^-à Zn⁺² │5 окисление, восстановитель

2N⁺⁵ + 10e^-à N₂⁰ │1 восстановление, окислитель

Коэффициенты 5 и 1 используем в молекулярном уравнении химической реакции.

5 Zn + HNO₃ =5 Zn(NO₃)₂ + 1 N₂↑ + H₂O

Уравниваем число атомов каждого химического элемента в левой и правой частях уравнения.

5 Zn + 12 HNO₃ = 5 Zn(NO₃)₂ + 1 N₂↑ + 6 H₂O

При соблюдении равенства числа атомов кислорода уравнение составлено верно. В данном случае в левой и правой частях уравнения по 36 атомов кислорода.

5 Zn + 12 HNO₃ = 5 Zn(NO₃)₂ + N₂↑ + 6 H₂O

 

Различают 3 типа окислительно-восстановительных реакций:

- межмолекулярные (окислитель и восстановитель находятся в

разных веществах Mg + 2HBr = MgBr₂ + H₂↑

- внутримолекулярные (атомы – окислители и атомы – восстано-

вители находятся в молекуле одного вещества) 2KClO₃ = 2KCl + 3O₂↑

- самоокисление-самовосстановление (диспропорционирование) - в молекуле одного вещества часть атомов одного элемента окисляются, а часть – восстанавливаются Cl₂ + H₂O = HCl + HClO

 

ЗАНЯТИЕ 11

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электрохимия, как наука, сформировалась на рубеже XVIII – XIXвеков. Создание в 1799 г итальянским физиком А.Вольта «вольтова столба», первого в истории человечества химического источника тока, опыты итальянского физиолога Л.Гальвани.
Электрохимия включает разделы:

-ионика;

- электродика

Электролиз-это совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита, при пропускании электрического тока.

Электролиз водных растворов

Катодные процессы

1)Металл от Li до AL

На катоде восстанавливается вода:

2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^-H₂

2)От Mn до H Ме вместе с H₂

Меⁿ⁺ + nе = Me⁰

2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^-

3) Ме После Н

Меⁿ⁺ + nе = Me⁰

Катионы разных Ме – восстанавливается сначала катион правее стоящего Ме

Анодные процессы

Растворимый анод (Fe, Zn, Cu,Ag) Ме⁰ – ne = Mⁿ⁺

Нерастворимый анод (инертный- графит)

а) анион бескислородный (Cl^-, Br^-, S^2- и др.)

Ac^m- - me = Ac⁰ Г^- - е = Г⁰

б) анион кислородосодержащий (NO₃^-, SO₄^2-,^CO₃^2-, и др.)

Окисление H₂O 2Н₂О – 4е = О₂ + 4Н⁺

(кислотная, нейтральная среда)

4ОН^- - 4е = О₂ + 4Н⁺ (щелочная среда)

Факторы, влияющие на процесс электролиза

• сила тока
• напряжение
• плотность тока
• КПД источника тока
• выход по току
• выход по веществу
• расход электроэнергии