Тема 9. Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют реакции, сопровождающиеся переходом электронов от одних частиц к другим. Признаком ОВР является изменение степени окисления атомом, входящих в состав реагирующих веществ. Под степенью окисления понимают условный заряд атома в молекуле, который вычисляют исходя из предположения , что молекула состоит только из ионов. Или: степень окисления – это условный заряд, который приобрел бы атом элемента, если предположить, что он принял или отдал то или иное число электронов. При определении степени окисления атома в соединении полезно учитывать следующее:

1. сумма всех степеней окисления атомов в молекуле равна нулю;

2. степень окисления атома водорода во всех соединениях, кроме гидридов металлов, равна +1 ( в гидридах -1);

3. степень окисления атома кислорода во всех соединениях, кроме пероксидов и OF₂, равна -2 ( в пероксидах степень окисления кислорода -1, в OF₂ степень окисления кислорода +1);

4. атомы большинства металлов во всех соединениях проявляют положительные степени окисления.

Окисление – это процесс отдачи электронов атомами, молекулами или ионами. Окисление приводит к повышению степени окисления. Восстановление – это прицесс присоединения электронов. Восстановление приводит к понижению степени окисления. Вещество, которое принимает электроны, называется окислителем. Вещество, которое электроны отдает, называется восстановителем. Окисление и восстановление – это единый взаимосвязанный процесс, и, в соответствии с законом сохранении энергии, количество электронов, отданных восстановителем, равно количеству электронов, присоединенных окислителем. Для отражения окислительно-восстановительного процесса составляют электронные уравнения.

На основании степени окисления атома в данном соединении можно судить, какими свойствами (окислительными или восстановительными) обладает данное вещество. Атом того или иного элемента в высшей степени окисления не может ее повысить (отдать электроны) и проявляет только окислительные свойства, а в низшей степени окисления атом не может принимать электроны, понижая степень окисления, и проявляет только восстановительные свойства. Атом элемента, имеющий промежуточную степень окисления, может проявлять как окислительные , так и восстановительные свойства, т.е. обладает окислительно восстановительной двойственностью.

Пример 1. Исходя из степени окисления атомов азота, серы и марганца в соединениях NH₃, HNO₂, HNO₃, H₂S, H₂SO₃, H₂SO₄, MnO₂, KMnO₄ определите, какие из них могут быть только окислителями, какие – только восстановителями и какие проявляют окислительно-восстановительную двойственность.

Степень окисления азота в соединении NH₃ равна -3 (низшая); в соединении HNO₂ +3 (промежуточная), в соединении HNO₃ +5 (высшая) Степень окисления серы в соединении H₂S равна -2 (низшая); в соединении H₂SO₃ — +4 (промежуточная), в соединении H₂SO₄ — +6 (высшая). Степень окисления марганца в соединении MnO₂ равна +4 (промежуточная), в соединении KMnO₄ равна +7 (высшая). В соответствии с этим NH₃, H₂S проявляют только восстановительные свойства; HNO₃, H₂SO₄, KMnO₄ проявляют только окислительные свойства, а HNO₂, H₂SO₃, MnO₂ обладают окислительно-восстановительой двойственностью.

Пример 2.Могут ли происходить ОВР между следующими веществами: а) H₂S и HI; б) H₂S и H₂SO₃ ; в) H₂SO₃ и HClO₄?

а) степень окисления серы в H₂S равна -2, степень окисления иода в HI равна -1. И сера и иод находятся в низшей степени окисления, поэтому они проявляют только восстановительные свойства и взаимодействовать друг с другом не могут.

б) степень окисления серы в H₂S равна -2, степень окисления серы в H₂SO₃ равна +4 (промежуточная). Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем H₂SO₃ является окислителем.

в) степень окисления серы в H₂SO₃ равна +4 (промежуточная); степень окисления хлора в HClO₄ равна +7 (высшая). Взятые вещества могут взаимодействовать. H₂SO₃ в этом случае будет проявлять восстановительные свойства.

Пример 3. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в следующем уравнении реакции:

KMnO₄ + H₃PO₃ + H₂SO₄ = MnSO₄ + H₃PO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Решение. Коэффициенты определяют методом электронного баланса с помощью электронных уравнений. Вычисляем, как изменяют степени окисления восстановитель и окислитель. Степень окисления марганца в KMnO₄ равна +7, а в MnSO₄ равна +2; степень окисления фосфора в H₃PO₃ равна +3, а в Н₃PO₄ равна +5.

восстановитель: Р⁺³ – 2ē = Р⁺⁵ | 5 процесс окисления

окислитель: Mn⁺⁷ +5ē = Mn⁺² | 2 процесс восстановления

Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, которое присоединяет окислитель. Наименьшее общее кратное для отданных и принятых электронов равно10. Разделив это на 5, получаем 2, а при делении на 2 получаем 5. Это коэффициенты перед окислителем и продуктом восстановления и, соответственно, перед восстановителем и продуктом окисления. Коэффициенты перед веществами, атомы которых не меняют степень окисления, находят подбором. Уравнение реакции будет иметь вид:

2KMnO₄ + 5H₃PO₃ +3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + 5H₃PO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

Контрольные вопросы

161. Исходя из степени окисления хрома в соединениях Cr, KCrO₂, K₂Cr₂O₇, определите, какое из них может быть только восстановителем , только окислителем или проявляет окислительно-восстановительную двойственность? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

K₂Cr₂O₇ + H₂S + H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + S + K₂SO₄ + H₂O

162. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:

K₂MnO₄ + Cl₂ = KMnO₄ + KCl

Zn + HNO_{3 (конц)} = Zn(NO₃)₂ + H₂O + N₂O

Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, какое восстановителем; какое вещество окисляется, какое – восстанавливается?

163. Могут ли происходить ОВР между веществами: а) NH₃ и KMnO₄; б) HNO₂ и HI; в) HCl и H₂Se? Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

KMnO₄ + KNO₂ + H₂SO₄ = MnSO₄ + KNO₃ + K₂SO₄ + H₂O

164. Для реакций

P + HIO₃ + H₂O = H₃PO₄ + HI

H₂SO₃ + Cl₂ + H₂O = H₂SO₄ + HCl

Cоставьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите окислитель и восстановитель

165. Исходя из степени окисления серы в соединениях H₂S, H₂SO₃,H₂SO₄, определите, какое из них может быть только восстановителем, только окислителем или проявляет окислительно-восстановительную двойственность? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

H₂S + Cl₂ + H₂O = H₂SO₄ + HCl

166. Для приведенных реакций составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем и какое – восстановителем.

P + HNO₃ + H₂O = H₃PO₄ + NO

KMnO₄ + Na₂SO₃ + KOH = K₂MnO₄ + Na₂SO₄ + H₂O

167. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих превращениях:

Cl⁰ =>Cl⁺⁷, Cr⁺³ =>Cr⁺⁶, S⁺⁶ =>S^-2

На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

H₂SO_{4 (конц)} + Zn => ZnSO₄ + H₂O + H₂S

Укажите окислитель и восстановитель.

168. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций; укажите окислитель и восстановитель:

S + KOH => K₂S + K₂SO₃ + H₂O

KMnO₄ => K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

169. Для приведенных реакций составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем и какое – восстановителем.

Cr₂(SO₄)₃ + H₂O₂ + NaOH => Na₂CrO₄ + Na₂SO₄ + H₂O

Na₂SO₃ + O₂ => Na₂SO₄

170. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих превращениях:

Cl⁰=>Cl⁺⁵, Se⁰ =>Se⁺⁶, N⁺⁵ =>N^-3

На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции

Zn + HNO₃ => Zn(NO₃)₂ + H₂O + NH₄NO₃

171. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций; укажите окислитель и восстановитель:

KMnO₄ + K₂SO₃ + H₂SO₄ = MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Cl₂ + KOH_(гор) = KCl + KClO₃ + H₂O

172. Исходя из степени окисления хрома, иода и серы в соединениях H₂SO₄, KI, K₂Cr₂O₇, определите, какое из них может быть только восстановителем, только окислителем или проявляет окислительно-восстановительную двойственность? Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции

NaCrO₂ + PbO₂ + NaOH = Na₂CrO₄ + Na₂PbO₂ + H₂O

173. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций; укажите окислитель и восстановитель:

HCl + CrO₃ = Cl₂ + CrCl₃ + H₂O

Cd + KMnO₄ + H₂SO₄ = CdSO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

174. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих превращениях:

Cl⁺⁵=>Cl^-1, Mn⁺⁶ =>Mn⁺², N^-3 =>N⁺⁵

На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции

Cu₂O + HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

175. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций; укажите окислитель и восстановитель:

Cr₂O₃ + KClO₃ + KOH = K₂CrO₄ + KCl + H₂O

MnSO₄ + PbO₂ + HNO₃ = HMnO₄ + Pb(NO₃)₂ + PbSO₄ + H₂O

176. Реакции выражаются схемами:

H₂SO₃ + HClO₃ = H₂SO₄ + HCl

FeSO₄ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите окислитель и восстановитель.

177. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций; укажите окислитель и восстановитель:

K₂Cr₂O₇ + HCl = Cl₂ + CrCl₃ + KCl + H₂O

Au + HNO₃ + HCl = AuCl₃ + NO + H₂O

178. Исходя из степени окисления фосфора в соединениях PH₃, H₃PO₄, H₃PO₃, определите, какое из них может быть только восстановителем, только окислителем или проявляет окислительно-восстановительную двойственность? Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции

PbS + HNO₃ = S + Pb(NO₃)₂ + NO + H₂O

179. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций; укажите окислитель и восстановитель:

P + HClO₃ + H₂O = H₃PO₄ + HCl

H₃AsO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ = H₃AsO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

180. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций; укажите окислитель и восстановитель:

KClO₃ + Na₂SO₃ = KCl + Nа₂SO₄

KMnO₄ + HBr = Br₂ + KBr + MnBr₂ + H₂O