В ходе урока мы изучим тему «Окислительно-восстановительные реакции». Вы узнаете определение данных реакций, их отличия от реакций других типов. Вспомните, что такое степень окисления, окислитель и восстановитель. Научитесь составлять схемы электронного баланса для окислительно-восстановительных реакций, познакомитесь с классификацией окислительно-восстановительных реакций.
Тема: Окислительно-восстановительные реакции
Урок: Окислительно-восстановительные реакции
Реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными . Изменение степеней окисления происходит из-за перехода электронов от восстановителя к окислителю. - это формальный заряд атома, если считать, что все связи в соединении являются ионными.
Окислитель - это вещество, молекулы или ионы которого принимает электроны. Если элемент является окислителем, его степень окисления понижается.
О 0 2 +4е - → 2О -2 (Окислитель, процесс восстановления)
Процесс приема веществами электронов называется восстановлением . Окислитель в ходе процесса восстанавливается.
Восстановитель - это вещество, молекулы или ионы которого отдают электроны. У восстановителя степень окисления повышается.
S 0 -4е - →S +4 (Восстановитель, процесс окисления)
Процесс отдачи электронов называется . Восстановитель в ходе процесса окисляется.
Пример №1. Получение хлора в лаборатории
В лаборатории хлор получают из перманганата калия и концентрированной соляной кислоты. В колбу Вюрца помещают кристаллы перманганата калия. Закрывают колбу пробкой с капельной воронкой. В воронку наливается соляная кислота. Соляная кислота приливается из капельной воронки. Сразу же начинается энергичное выделение хлора. Через газоотводную трубку хлор постепенно заполняет цилиндр, вытесняя из него воздух. Рис. 1.
Рис. 1
На примере этой реакции рассмотрим, как составлять электронный баланс.
KMnO 4 + HCI = KCI + MnCI 2 + CI 2 + H 2 O
K + Mn +7 O -2 4 + H + CI - = K + CI - + Mn +2 CI - 2 + CI 0 2 + H + 2 O -2
Степени окисления поменяли марганец и хлор.
Mn +7 +5е - = Mn +2 окислитель, процесс восстановление
2 CI - -2е - = CI 0 2 восстановитель, процесс окисление
4. Уравняем число отданных и принятых электронов. Для этого находим наименьшее общее кратное для чисел 5 и 2. Это 10. В результате деления наименьшего общего кратного на число отданных и принятых электронов, находим коэффициенты перед окислителем и восстановителем.
Mn +7 +5е - = Mn +2 2
2 CI - -2е - = CI 0 2 5
2KMnO 4 + ? HCI = ?KCI + 2MnCI 2 + 5CI 2 +? H 2 O
Однако перед формулой соляной кислоты не поставлен коэффициент, так как не все хлоридные ионы участвовали в окислительно-восстановительном процессе. Метод электронного баланса позволяет уравнивать только ионы, участвующие в окислительно-восстановительном процессе. Поэтому нужно уравнять количество ионов, не участвующих в . А именно катионов калия, водорода и хлоридных анионов. В результате получается следующее уравнение:
2KMnO 4 + 16 HCI = 2KCI + 2MnCI 2 + 5CI 2 + 8H 2 O
Пример №2. Взаимодействие меди с концентрированной азотной кислотой. Рис. 2.
В стакан с 10 мл кислоты поместили «медную» монету. Быстро началось выделение бурого газа (особенно эффектно выглядели бурые пузырьки в еще бесцветной жидкости). Все пространство над жидкостью стало бурым, из стакана валили бурые пары. Раствор окрасился в зеленый цвет. Реакция постоянно ускорялась. Примерно через полминуты раствор стал синим, а через две минуты реакция начала замедляться. Монета полностью не растворилась, но сильно потеряла в толщине (ее можно было изогнуть пальцами). Зеленая окраска раствора в начальной стадии реакции обусловлена продуктами восстановления азотной кислоты.
Рис. 2
1. Запишем схему этой реакции:
Cu + HNO 3 = Cu (NO 3) 2 + NO 2 + H 2 O
2. Расставим степени окисления всех элементов в веществах, участвующих в реакции:
Cu 0 + H + N +5 O -2 3 = Cu +2 (N +5 O -2 3) 2 + N +4 O -2 2 + H + 2 O -2
Степени окисления поменяли медь и азот.
3. Составляем схему, отражающую процесс перехода электронов:
N +5 +е - = N +4 окислитель, процесс восстановление
Cu 0 -2е - = Cu +2 восстановитель, процесс окисление
4. Уравняем число отданных и принятых электронов. Для этого находим наименьшее общее кратное для чисел 1 и 2. Это 2. В результате деления наименьшего общего кратного на число отданных и принятых электронов, находим коэффициенты перед окислителем и восстановителем.
N +5 +е - = N +4 2
Cu 0 -2е - = Cu +2 1
5. Переносим коэффициенты в исходную схему и преобразуем уравнение реакции.
Cu + ?HNO 3 = Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Азотная кислота участвует не только в окислительно-восстановительной реакции, поэтому коэффициент сначала не пишется. В результате, окончательно получается следующее уравнение:
Cu + 4HNO 3 = Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Классификация окислительно-восстановительных реакций
1. Межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции.
Это реакции, в которых окислителем и восстановителем являются разные вещества.
Н 2 S -2 + Cl 0 2 → S 0 + 2HCl -
2. Внутримолекулярные реакции, в которых окисляющиеся и останавливающиеся атомы находятся в молекулах одного и того же вещества, например:
2H + 2 O -2 → 2H 0 2 + O 0 2
3. Диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление) - реакции, в которых один и тот же элемент выступает и как окислитель, и как восстановитель, например:
Cl 0 2 + H 2 O → HCl + O + HCl -
4. Конпропорционирование (Репропорционирование) - реакции, в которых из двух различных степеней окисления одного и того же элемента получается одна степень окисления
Домашнее задание
1. №№1-3 (с. 162) Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень. 2-е изд., стер. - М.: Дрофа, 2007. - 220 с.
2. Почему аммиак проявляет только восстановительные свойства, а азотная кислота - только окислительные?
3. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции получения азотной кислоты, используя метод электронного баланса: ?NO 2 + ?H 2 O + O 2 = ?HNO 3
Многие вещества обладают особыми свойствами, которые в химии принято называть окислительными или восстановительными.
Одни химические вещества проявляют свойства окислителей, другие - восстановителей, при этом некоторые соединения могут проявлять те и другие свойства одновременно (например – перекись водорода Н 2 О 2).
Что же такое окислитель и восстановитель, окисление и восстановление?
Окислительно-восстановительные свойства вещества связаны с процессом отдачи и приема электронов атомами, ионами или молекулами.
Окислитель - это вещество, которое в ходе реакции принимает электроны, т. е. восстанавливается; восстановитель - отдает электроны, т. е. окисляется. Процессы передачи электронов от одних веществ к другим, обычно называют окислительно-восстановительными реакциями.
Соединения, содержащие атомы элементов с максимальной степенью окисления, могут быть только окислителями за счет этих атомов, т.к. они уже отдали все свои валентные электроны и способны только принимать электроны. Максимальная степень окисления атома элемента равна номеру группы в периодической таблице, к которой относится данный элемент. Соединения, содержащие атомы элементов с минимальной степенью окисления могут служить только восстановителями, поскольку они способны лишь отдавать электроны, потому, что внешний энергетический уровень у таких атомов завершен восемью электронами
Восстановители |
Окислители |
||
Водород, углерод Оксид углерода (II) Сероводород Оксид серы (IV) Сернистая кислота и ее соли Галогеноводороды Катионы металлов в низших степенях окисления: Азотистая кислота Гидразин Катод при электролизе |
SnCl 2 , FeCl 2 , MnSO 4 , Cr 2 (SO 4) 3 |
Галогены Перманганаты Манганаты Оксид марганца (IV) Дихроматы Азотная кислота Серная кислота Оксид свинца(IV) Пероксид водорода Мононадсерная кислота Двунадсерная кислот Катионы металлов в высших степенях окисления: Хлорат калия Анод при электролизе |
F 2 ; Cl 2 ; I 2 ; Br 2 KMnO 4 K 2 Cr 2 O 7 K 2 CrO 4 H 2 SO 4 конц. PbO 2 TlCl 3 , Au(CNS) 3 |
Соединения, содержащие атомы элементов с промежуточной степенью окисления, могут быть и окислителями, и восстановителями в зависимости от партнера, с которым взаимодействуют, и от условий реакции. Так, типичный окислитель пероксид водорода при взаимодействии в кислой среде с перманганатом калия оказывается восстановителем:
5 Н 2 О 2 + 2 КМnO 4 + 3 H 2 SO 4 = 2 MnSO 4 + K 2 SO 4 + 5 O 2 + 8 H 2 O,
а типичный восстановитель сульфит натрия окисляет сульфиды щелочных металлов:
Na 2 SO 3 + 2 Na 2 S+ 3 H 2 O = 3 S + 6 NaOH.
Кроме того, восстановители, включающие атомы в низшей степени окисления, могут быть окислителями за счет другого элемента. Например, типичный восстановитель аммиак может окислять щелочные металлы за счет атомов водорода:
NH 3 + Na = NaH 2 N + 1/2 H 2 .
Cоставление уравнений ОВР
Окислительно-восстановительные реакции описываются уравнениями реакций, которые отображают количества веществ, вступивших во взаимодействие и получившихся продуктов. Для составления уравнений ОВР используют или метод электронного баланса (метод схем), или электронно-ионного баланса (метод полуреакций).
Метод электронного баланса более универсален, так как позволяет устанавливать стехиометрические отношения в ОВР в любых гомо- и гетерогенных системах.
Метод электронного баланса ‑ метод нахождения коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций, в котором рассматривается обмен электронами между атомами элементов, изменяющих свою степень окисления. Число электронов, отданное восстановителем, равно числу электронов, получаемых окислителем.
Уравнение составляется в несколько стадий:
1. Записывают схему реакции:
KMnO 4 + HCl → KCl + MnCl 2 + Cl 2 + H 2 O.
2. Проставляют степени окисления над знаками элементов, изменяющих степень окисления:
KMn +7 O 4 + HCl -1 → KCl + Mn +2 Cl 2 + Cl 2 0 + H 2 O.
3.Выделяют элементы, изменяющие степени окисления и определяют число электронов, приобретенных окислителем и отдаваемых восстановителем:
Mn +7 + 5ē → Mn +2 .
2Cl -1 - 2ē → Cl 2 0 .
4. Уравнивают число приобретенных и отдаваемых электронов, устанавливая тем самым коэффициенты для соединений, в которых присутствуют элементы, изменяющие степень окисления:
Mn +7 + 5ē → Mn +2 | |
2Cl -1 – 2ē → Cl 2 0 |
––––––––––––––––––––––––
2Mn +7 + 10Cl -1 → 2Mn +2 + 5Cl 2 0 .
5. Подбирают коэффициенты для остальных участников реакции:
2KMn +7 O 4 + 16HCl -1 → 2KCl + 2Mn +2 Cl 2 + 5Cl 2 0 + 8H 2 O.
Для подбора коэффициентов уравнений реакций, протекающих в водных растворах, предпочтительнее метод полуреакций.
Во-первых, он позволяет опустить операции определения степени окисления элементов.
Во-вторых, в процессе его использования сразу получается сокращенное ионное уравнение окислительно-восстановительной реакции.
В третьих, по уравнению полуреакций удается установить влияние среды на характер процесса.
Кроме того, при составлении электронно-ионного баланса оперируют ионами, реально существующими в водном растворе, в отличие от метода электронного баланса, который имеет дело с гипотетическими частицами типа Mn +7 , Cr +6 .
Метод электронно-ионного баланса (метод полуреакций) .
В этом методе рассматривают переход электронов от одних атомов или ионов к другим с учетом характера среды (кислая, щелочная или нейтральная), в которой протекает реакция. При составлении уравнений процессов окисления и восстановления для уравнивания числа атомов водорода и кислорода вводят (в зависимости от среды) или молекулы воды и ионы водорода (если среда кислая), или молекулы воды и гидроксид-ионы (если среда щелочная). Соответственно и в получаемых продуктах в правой части электронно-ионного уравнения будут находиться ионы водорода и молекулы воды (кислая среда) или гидроксид-ионы и молекулы воды (щелочная среда).
То есть при написании электронно-ионных уравнений нужно исходить из состава ионов, действительно имеющихся в растворе. Кроме того, как и при составлении сокращенных ионных уравнений, вещества малодиссоциирующие, плохо растворимые или выделяющиеся в виде газа следует писать в молекулярной форме.
Рассмотрим для примера следующую реакцию:
Н 2 О 2 + КMnO 4 + Н 2 SO 4 → MnSO 4 + О 2 + H 2 O + K 2 SO 4 .
При нахождении стехиометрических коэффициентов уравнения окислительно-восстановительного процесса нужно выполнить следующие операции.
1. Определить окислитель и восстановитель среди реагирующих веществ. В нашем примере окислитель ‑ КMnО 4 , восстановитель ‑ Н 2 О 2 и продукты их взаимодействия Mn 2+ и О 2 .
2. Выписать схемы полуреакций:
Н 2 О 2 → О 2 окисление;
MnO → Mn 2+ . восстановление.
3. Уравнять схемы:
а) по элементу, меняющему степень окисления (в нашем примере этого не требуется);
б) по кислороду, добавляя его туда, где нужно в виде молекул воды, если реакция протекает в кислой среде, и в виде гидроксид-иона, если реакция протекает в щелочной среде:
Н 2 О 2 → О 2 ;
MnO → Mn 2+ + 4 Н 2 О;
в) по водороду, добавляя его в виде ионов водорода, если реакция протекает в кислой среде, и в виде молекул воды, если реакция протекает в щелочной среде если:
Н 2 О 2 → О 2 + 2 Н + ;
MnO+ 8 Н + → Mn 2+ + 4 H 2 O;
г) по суммарному заряду ионов, добавляя или отнимая нужное число электронов:
Н 2 О 2 - 2ē → О 2 + 2 Н + ;
MnO 4 - + 8 Н + + 5 ē →Mn 2+ + 4H 2 O.
4. Учитывая закон электронейтральности, уравнять число отданных и принятых электронов и суммировать отдельно левые и правые части полуреакций:
Н 2 О 2 - 2ē → О 2 + 2 Н + | 2| 5
MnO+ 8 Н + + 5 ē →Mn 2+ + 4 H 2 O | 5| 2
____________________________________________
5 Н 2 О 2 + 2 MnO+ 16 Н + = 5 О 2 + 10 Н + + 2 Mn 2+ +8 H 2 O.
Сокращая, получим уравнение данного редокс-процесса в ионном виде:
5 Н 2 О 2 + 2 MnO+ 6 Н + = 5 О 2 + 2 Mn 2+ +8 H 2 O.
5. Перейти к молекулярному виду уравнения, добавляя катионы и анионы, остающиеся в результате реакции без изменения, то есть ионы-солеобразователи (в нашем примере ионы К + и SO 4 2-):
5 Н 2 О 2 + 2 КMnO 4 + 3 Н 2 SO 4 = 5 О 2 + 8 H 2 O + K 2 SO 4 .
Рассмотрим еще один пример ‑ процесс окисления пирита концентрированной азотной кислотой.
1. Определим окислитель и восстановитель среди реагирующих веществ. В нашем примере окислитель – HNO 3 , восстановитель ‑ FeS 2. Определим продукты реакции. Азотная кислота HNO 3 является сильным окислителем, поэтому сера будет окисляться до максимальной степени окисления S 6+ , а железо ‑ до Fe 3+ , при этом HNO 3 может восстанавливаться до NO:
FeS 2 +HNO 3 → Fe(NO 3) 3 + H 2 SO 4 + NO.
2. Выпишем схемы полуреакций
FeS 2 → Fe 3+ +SОокисление;
NO→ NO восстановление.
3. Уравниваем схемы:
FeS 2 + 8H 2 O - 15ē → Fe 3+ + 2SО + 16H + ;
NO+4H + +3 ē → NO + 2H 2 O .
4. Учитывая закон электронейтральности, уравняем число отданных и принятых электронов и суммируем отдельно левые и правые части полуреакций:
FeS 2 + 8H 2 O - 15ē → Fe 3+ + 2SО+ 16H + | 15 | 1
NO+ 4H + +3 ē → NO + 2H 2 O | 3 | 5
FeS 2 + 8H 2 O +5NO+ 20H + =Fe 3+ +2SО+16H + + 5NO + 10H 2 O.
5. Сокращая, получим уравнение в ионном виде:
FeS 2 +5NO+ 4H + = Fe 3+ + 2SО + 5NO + 2H 2 O.
6. Напишем уравнение в молекулярном виде, учитывая, что часть нитрат-ионов не восстановилась, а участвовала в обменной реакции, и часть ионов H + присутствует в продуктах реакции (H 2 SO 4):
Обратите внимание, что для определения количества отданных и принятых электронов вам ни разу не пришлось определять степень окисления элементов. Кроме того, мы учли влияние среды и автоматически определили, что Н 2 О находится в правой части уравнения. Несомненно, что этот метод гораздо больше соответствует химическому смыслу, чем стандартный метод электронного баланса.
Окислителем называется вещество, которые вызывает окисление другого вещества. Вызывая окисление какого-либо вещества, сам окислитель при этом восстанавливается. Наиболее распространенные окислители подразделяются на три типа, перечисленные ниже.
Неметаллические элементы. Такие окислители присоединяют электроны, образуя катионы. Примером окислителя подобного типа является хлор. Он окисляет, например, бромид-ионы. Ионное уравнение полной окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом случае, имеет вид
Таким образом, здесь происходит окисление брома:
При окислении брома сам хлор восстанавливается:
К окислителям подобного типа принадлежат также кислород и бром. Сами они в результате восстанавливаются, и соответствующие восстановительные полуреакции описываются следующими уравнениями:
Катионы. К числу катионов, выступающих в роли окислителей, относятся обычно ионы металлов. Они присоединяют к себе электроны, образуя нейтральные атомы либо молекулы. Приведем два примера:
Окислители окрашивают в синий цвет влажную индикаторную бумагу, пропитанную крахмалом и иодидом калня. Это происходит в результате того, что окислитель окисляет иодид-ионы, превращая их в иод:
Свободный иод реагирует с крахмалом, и это приводит к появлению синей окраски.
В растворах или в расплавах . Так, самый сильный неорганический окислитель , элементарный фтор , получают электролизом расплавов фторидов .
Окислитель | Полуреакции | Продукт | Стандартный потенциал, В |
---|---|---|---|
O 2 кислород | Разные, включая оксиды, H 2 O и CO 2 | +1,229 (в кислой среде) 0,401 (в щелочной среде) |
|
O 3 озон | Разные, включая кетоны и альдегиды | ||
Пероксиды | Разные, включая оксиды, окисляет сульфиды металлов до сульфатов H 2 O | ||
Hal 2 галогены | Hal − ; окисляет металлы, P, C, S, Si до галогенидов | F 2: +2,87 Cl 2: +1,36 |
|
ClO − гипохлориты | Cl − | ||
ClO 3 − хлораты | Cl − | ||
HNO 3 азотная кислота | с активными металлами, разбавленная
с активными металлами, концентрированная с тяжёлыми металлами, разбавленная c тяжёлыми металлами, концентрированная |
||
H 2 SO 4 , конц. серная кислота | c неметаллами и тяжёлыми металлами
с активными металлами |
SO 2 ; окисляет металлы до сульфатов с выделением сернистого газа или серы Ещё один сильный окислитель - перманганат калия . Он способен окислять органические вещества и даже разрывать углеродные цепи: С 6 H 5 -CH 2 -CH 3 + [O] → C 6 H 5 COOH + … C 6 H 6 + [O] → HOOC-(CH 2) 4 -COOH Сила окислителя при реакции в разбавленном водном растворе может быть выражена стандартным электродным потенциалом : чем выше потенциал, тем сильнее окислитель. Очень сильные окислителиУсловно к «очень сильным окислителям» относят вещества, превышающие по окислительной активности молекулярный фтор . К ним, например, относятся: гексафторид платины , диоксидифторид , дифторид криптона , оксид меди(III) , фторид серебра(II) , катионная форма Ag 2+ , все фториды ксенона , озонид цезия , надпероксид цезия , гексафтороникелат(IV) калия . Перечисленные вещества, к примеру, способны при комнатной температуре окислять инертный газ ксенон , что неспособен делать фтор (требуется давление и нагрев) и тем более ни один из кислородсодержащих окислителей. См. такжеНапишите отзыв о статье "Окислитель"Отрывок, характеризующий ОкислительНаполеон подъехал со свитой к Шевардинскому редуту и слез с лошади. Игра началась.Вернувшись от князя Андрея в Горки, Пьер, приказав берейтору приготовить лошадей и рано утром разбудить его, тотчас же заснул за перегородкой, в уголке, который Борис уступил ему. |