Степень окисления (СО) атомов некоторых элементов

Восстановитель Zn – окисляется.

Водород-ион принял один электрон Н⁰, степень окисления его понизилась:

2Н⁺ + 2ē = Н₂ ⁰

окисленная восстановительная

форма форма

Атом, молекула или ион, принимающий электроны, называется окислителем, а процесс отдачи электронов называется восстановлением.

Окислитель – ион (Н⁺) восстанавливается.

В любой окислительно-восстановительной реакции число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем, т.е. устанавливается электронный баланс:

В реакции б) СО элементов не меняется:

,

следовательно, эта реакция не окислительно-восстановительная.

В реакции в) изменяются степени окисления атомов реагирующих веществ:

,

следовательно, реакция окислительно-восстановительная. Подберем коэффициенты в уравнения методом электронного баланса:

Для подбора коэффициентов находим наименьшее общее кратное числу электронов, участвующих в реакции. Это наименьшее кратное (12) делим на число электронов, отданных восстановителем (3) и принятых окислителем (4), получаем соответствующие коэффициенты перед окислителем и восстановителем в данной реакции:

4Al + 3MnO₂ = 2Al₂O₃ + 3Mn.

В сложных реакциях перед веществами, атомы которых не меняют СО, коэффициенты находят подбором.

Пример 3. Определите, исходя из степени окисления азота: а) какие частицы N₂ ⁰, NН₄ ⁺, NO₃ ^–, NO₂ ^– могут проявлять свойства только восстановителя, только окислителя, окислителя и восстановителя; б) укажите, что представляет собой каждый из процессов:

1) N ₂ ⁰ ®NO; 2) NH ₄ ⁺® NH₃; 3) NO ₂^– ®NO₃ ^–; 4) NO ₃ ^– ® NH₄ ⁺.

Решение.

Определим СО азота в предложенных частицах: N₂ ⁰; ; ; Строение нейтрального атома азота следующее: ₇N⁰ 1s²2s²2p³. а внешнем энергетическом уровне атома пять электронов. В частице NH₄ ⁺СО атома азота равна – 3, ₇N^–31s²2s²2p⁶, т.е. на внешнем энергетическом уровне максимальное количество электронов – восемь. Такая частица может только отдавать электроны, т.е. окисляться, следовательно, проявляет только восстановительные свойства. В ионе NO₃ ^–; азот проявляет высшую положительную СО, равную +5, ₇N⁺⁵ 1s²2s⁰2p⁰. Такая частица может принимать электроны, т.е. восстанавливаться, поэтому проявляет только окислительные свойства. В N₂⁰и промежуточные степени окисления 0 и +3 соответственно, поэтому эти частицы могут проявлять свойства как окислителя, так и восстановителя.

Процесс перехода:

1) N₂ ⁰®NO, СО азота повысилась от 0 до +2, атом азота отдает 2 электрона, процесс окисления.

2) N ₂⁰ ® , СО азота понизилась от 0 до –3, процесс восстановления, принимается 3 электрона.

3) ® , СО азота повысилась от +3 до +5, процесс окисления, отдается 2 электрона.

4) ® , СО азота понизилась от + 5 до –3, процесс восстановления, принимается 8 электронов.

Пример 4. Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции, идущей по схеме:

.

Подберите коэффициенты электронно-ионным методом.

Решение. Для подбора коэффициентов в реакциях, протекающих в растворах электролитов, удобно использовать метод электронно-ионного баланса.

1. Из уравнения реакции видно, что Mg меняет СО от 0 до +2, т.е. он окисляется и является восстановителем. Сера изменяет СО от +6 до –2, т.е. она восстанавливается и является окислителем.

2. Записываем ионно-молекулярное уравнение реакций:

Mg⁰ + 2H⁺ + SO₄^{2 2–} ® Mg²⁺ + SO₄^{2 2–}+ H₂O.

H₂SO₄ и MgSO₄ – сильные электролиты, H₂O – слабый электролит, H₂S – газообразное вещество.

3. Записываем уравнения для процесса окисления:

восстановитель Mg⁰ – 2ē = Mg²⁺ окисляется.

4. Уравняем число атомов магния. В левой и правой частях уравнения реакции их по одному.

5. Количество атомов уравнено, поэтому подсчитываем сумму зарядов в левой и правой частях уравнения:

уравнение: Mg⁰ ® Mg²⁺

заряды 0 +2

сумма зарядов 0 +2

В левой части 2 избыточных отрицательных заряда, поэтому отнимаем 2 электрона и получаем: Mg⁰ – 2ē ® Mg²⁺.

6. Проверяем количество отданных электронов по изменению СО магния:

0 ® +2.

7. Записываем уравнения для процесса восстановления, на основании ионного уравнения: SO₄^{2 2–} ® H₂S.

окисленная восстановленная

форма форма

Атомов серы в правой и левой частях по одному.

Уравниваем атомы кислорода. В левой части их 4, а в правой – 0.

Избыточные 4 атома кислорода в левой части уравнения реакции образовали четыре молекулы Н₂О:

SO₄^{2 2–} ® H₂S + 4Н₂О.

Наконец, уравниваем атомы водорода. В правой части их 10, в левой их нет. Ионно-молекулярное уравнение показывает, что они содержатся в виде Н⁺ ионов. Добавляем в левую часть 10 ионов Н⁺:

SO₄^{2 2–} + 10Н⁺ ® H₂S + 4Н₂О.

В кислой среде всегда «избыток» кислорода связывается ионами среды, каждый атом кислорода связывается двумя ионами Н⁺, образуя молекулу Н₂О.

8. Количество атомов всех элементов уравнено, подсчитываем сумму зарядов в правой и левой частях уравнения:

уравнение: SO₄^{2 2–} + 10Н⁺ ® H₂S + 4Н₂О

заряды –2 +10 0 0

сумма зарядов +8 0

В левой части 8 избыточных положительных зарядов, поэтому добавляем сюда 8 электронов. Окончательно получается:

SO₄^{2 2–} + 10Н⁺ + 8ē ® H₂S + 4Н₂О.

9. Проверяем число принятых электронов по изменению СО серы: + 6 ® – 2.

В итоге получаем следующую систему уравнений:

10. Находим коэффициенты для процессов окисления и восстановления, используя общее правило. Число отданных и принятых электронов равно 2 и 8. Наименьше кратное – 8, отсюда коэффициенты: для процесса окисления 4, для процесса восстановления – 1. Проверяем: отдается (2 ´ 4) восемь электронов, принимается также восемь. Складываем электронные уравнения процессов окисления и восстановления, умножив их на соответствующие коэффициенты, и получаем полное ионно-молекулярное уравнение реакции:

2Mg⁰ + SO₄^{2 2–}+ 10Н⁺ ® 4Mg²⁺ + H₂S + 4Н₂О.

11. Перенесем полученные коэффициенты в молекулярное уравнение:

4Mg + 5H₂SO₄ ® 4MgSO₄ + H₂S + 4Н₂О.

Эти же коэффициенты можно получить методом электронного баланса:

Mg⁰ + S⁺⁶ ® Mg²⁺ + S^2–,

4Mg + 5H₂SO₄ ® 4MgSO₄ + H₂S + 4Н₂О.

Пример 5. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

K[Cr(OH)₄] + Cl₂ + KOH®K₂CrO₄ + KCl + H₂O.

Решение.

1. Находим окислитель и восстановитель в реакции и записываем ионно-молекулярное уравнение. В него должны войти частицы, содержащие окислитель и восстановитель, частицы – продукт окисления и восстановления, а также ионы и молекулы среды, участвующие в реакции:

+ Cl₂ + OH^– ® + Cl^–+ H₂O.

восстановитель окислитель

2. Записываем уравнения для процесса окисления восстановителя, в котором уравниваем число атомов хрома, кислорода и водорода:

[Cr(OH)₄] ^– ® CrO₄^{2 2–}.

В правой и левой частях уравнения по одному атому хрома, по четыре атома кислорода. Освободившиеся четыре иона водорода в левой части уравнения связываются четырьмя ионами ОН ^– щелочной среды, образуя молекулы воды:

4Н ⁺+ 4ОН ^– ® 4H₂O.

Для процесса окисления получаем:

[Cr(OH)₄] ^–+ 4OH ^– ® CrO₄^{2 2–}+ 4H₂O.

3. Подсчитываем сумму зарядов в левой и правой частях уравнения и определим число электронов, отданных восстановителем:

уравнение [Cr(OH)₄] ^–+ 4OH ^– ® CrO₄^{2 2–} + 4H₂O

сумма зарядов –5 –2

Поскольку в левой части уравнения на три отрицательных заряда больше, вычитаем три электрона:

[Cr(OH)₄] ^–+ 4OH ^–– 3ē ® CrO₄^{2 2–}+ 4H₂O.

4. Проверяем правильность составления процесса окисления по СО хрома: хром меняет СО от +3 до +6, следовательно, хром отдает три электрона.

1. Записываем уравнение для процесса восстановления:

Cl₂ ® 2Cl^– .

Хлор меняет СО от 0 до –1, т.е. каждый атом хлора принимает по одному электрону: Cl₂ + 2 ē ® 2Cl ^–.

Получаем систему уравнений:

Умножив уравнения процессов окисления и восстановления на подобранные коэффициенты и сложив их, получаем ионно-молекулярное уравнение окислительно-восстановительной реакции:

2[Cr(OH)₄]^–+ 8OH^–– 6ē + 3Cl₂ + 6ē ® 2CrO₄^{2 2–} + 6Cl^–+ 8H₂O.

Полученные коэффициенты переносим в молекулярное уравнение:

2K[Cr(OH)₄] + 3Cl₂ + 8KOH ® 2K₂CrO₄ + 6KCl + 8H₂O.