Процессы окисления, восстановления

Окисление – процесс отдачи электронов

Hq⁰ - 2e → Hq⁺²

При окислении степень окисления элемента повышается, а элемент является восстановителем.

Восстановление – процесс присоединения электронов.

S⁰ + 2e → S^-2

При восстановлении степень окисления элемента понижается, а элемент является окислителем.

Важнейшие окислители и восстановители.

Типичные восстановители

Простые вещества

• H₂

• Щелочные металлы

• Щелочноземельные металлы

• C

• Zn

• AI

Сложные вещества

• KI

• NH₃

• H₂S

• CO

• Na₂SO₃

• NaNO₂

Типичные окислители

Простые вещества

• F2

• CI₂

• O₂

Сложные вещества

• KCIO₃

• H₂SO₄

• HNO₃

• KMnO₄

• MnO₂

• K₂Cr₂O₄

Классификация окислительно-восстановительных реакций. Примеры

Окислительно-восстановительные реакции делятся на три вида:

· межмолекулярные ОВР - окислителем и восстановителем являются два разных вещества (простые или сложные);

· внутримолекулярные ОВР - окислитель и восстановитель находятся в одной молекуле;

· реакции диспропорционирования (дисмутации, самоокисления-самовосстановления) - в одном и том же веществе имеется элемент с промежуточной степенью окисления, который в ходе реакции, одновременно, и окисляется, и восстанавливается.

Межмолекулярные ОВР

Примеры межмолекулярных окислительно-восстановительных реакций между газообразными веществами:

H₂⁰+Cl₂⁰ = 2H⁺¹Cl^-1

3H₂⁰+N₂⁰ = 2N^-3H₃⁺¹

2N⁺²O+O₂⁰ = 2N⁺⁴O₂^-2

4N^-3H₃+3O₂⁰ = 2N₂⁰+6H₂O^-2

Примеры межмолекулярных ОВР между твёрдыми веществами и газообразными (окисление металлов):

2Mg⁰+O₂⁰ = 2Mg⁺²O^-2

2Sb⁰+3Cl₂⁰ = 2Sb⁺³Cl₃^-1

Примеры межмолекулярных ОВР между твёрдыми веществами и растворами:

Mn⁺⁴O₂+4HCl^-1 = Cl₂⁰+Mn⁺²Cl₂+2H₂O

2KMn⁺⁷O₄+16HCl^-1 = 5Cl₂⁰+2Mn⁺²Cl₂+2KCl+8H₂O

Примеры межмолекулярных ОВР между твёрдыми веществами:

2Al⁰+Fe₂⁺³O₃ = Al₂⁺³O₃+2Fe⁰

Примеры межмолекулярных ОВР, протекающих в растворах:

3Na₂S⁺⁴O₃+K₂Cr₂⁺⁶O₇+4H₂SO₄ = 3Na₂S⁺⁶O₄+Cr₂⁺³(SO₄)₃+K₂SO₄+4H₂O

Ионное уравнение: 3SO₃^2-+Cr₂O₇^2-+8H⁺ = 3SO₄^2-+2Cr³⁺+4H₂O

Реакции коммутации:

2H₂S^-2+H₂S⁺⁴O₃ = 3S⁰+3H₂O

5HCl^-1+HCl⁺⁵O₃ = 3Cl₂⁰+3H₂O

Внутримолекулярные ОВР

Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции являются реакциями разложения:

N^-3H₄N⁺³O₂ = N₂⁰+2H₂O

N^-3H₄N⁺⁵O₂ = N₂⁺¹+2H₂O

2NaN⁺⁵O₃^-2 = 2NaN⁺³O₂+O₂⁰

2KCl⁺⁵O₃^-2 = 2KCl^-1+3O₂⁰

Реакции диспропорционирования

Cl₂⁰+H₂O ↔ HCl⁺¹O+HCl^-1

4KCl⁺⁵O₃ = 3KCl⁺⁷O₄+KCl^-1

3NaCl⁺¹O = NaCl⁺⁵O₃+2NaCl^-1

4Na₂S⁺⁴O₃ = 3Na₂S⁺⁶O₄+Na₂S^-2

3HN⁺³O₂ = HN⁺⁵O₃+2N⁺²O+H₂O

Реакции диспропорционирования могут протекать только в присутствии веществ, которые имеют элементы с промежуточной степенью окисления.

Например, марганец в манганате калия K₂Mn⁺⁶O₄ имеет промежуточную степень окисления +6. Поскольку, ион MnO₄^2- имеет изумрудный цвет, то и раствор манганата калия имеет зелёный цвет. Реагируя с водой, манганат калия образует перманганат калия KMnO₄, а цвет раствора становится буро-красным, в результате выпадения в осадок оксида магния MnO₂.

3K₂Mn⁺⁶O₄+2H₂O = 2KMn⁺⁷O₄+Mn⁺⁴O₂+4KOH

2Mn⁺⁶-2e^- = 2Mn⁺⁷ (окисление)

Mn⁺⁶+2e^- = Mn⁺⁴ (восстановление)

Как видно из уравнения реакции, в двух из трёх ионов MnO₄^2-, присутствующих в молекуле манганата калия, атомы марганца отдают по одному электрону, выступая в роли восстановителя, а в третьем ионе атом марганца принимает эти два электрона от своих "братьев", играя роль окислителя. Таким образом, молекула манганата калия в ходе реакции проявляет, как восстановительные, так и окислительные свойства.

Метод электронного баланса. Примеры

Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + NO + H2O

Zn⁰-2e=Zn²⁺ ½3 восстановитель

N⁺⁵+3e=N⁺² ½2 окислитель

3Zn + 4HNO3 = Zn(NO3)2 + 2NO + 2H2O

Сначала расставляются коэффициенты в веществах, полностью изменяющих степень окисления.

Затем по балансу элементов расставляют коэффициенты у всех остальных веществ

HCI + MnO2 → CI2 + MnCI2 + H2O

2Cl^-1 -2e=Cl₂⁰ ½1 восстановитель

Mn⁺⁴+2e=Mn⁺² ½1 окислитель

 4HCI + MnO2 = CI2 + MnCI2 + H2O

 

KMnO4 + HCI → KCI + MnCI2 + CI2 + H2O

Mn⁺⁷ +5e=Mn⁺² ½2 окислитель

2Cl^-1-2e=Cl₂⁰     ½5 восстановитель

2KMnO4 + 16HCI → 2KCI + 2MnCI2 + 5CI2 + 8H2O

Метод электронно-ионного баланса. Примеры

1) в молекулярной схеме реакции находим степени окисления атомов тех элементов, которые её изменяют. Напишем ионно-молекулярную схему реакции, включающую окислитель, восстановитель, продукты их реакции и, если известно, среду;

2) составляем ионно-электронные уравнения отдельно для процессов окисления и восстановления: сначала уравняем частицы в левой и правой частях уравнения, используя для этого молекулы Н₂0 и, в зависимости от среды, ионы Н⁺ или ОН^-, а затем уравняем заряд добавлением (или вычитанием) электронов в левую часть (из левой части) уравнения;

3) находим наименьшее общее кратное для электронов окислителя и восстановителя, и соответствующие множители;

4) суммируем полуреакции окисления и восстановления с учётом множителей, получаем ионно-молекулярное уравнение, а затем пишем молекулярное уравнение реакции.

Пример 1.

Бутен-2, СН₃-СН=СН-СН₃, или С₄Н₈, окисляется перманганатом калия КМп0₄ в сернокислой кислой среде до уксусной кислоты СН₃СООН, или С₂Н₄0₂:

Запишем ионно-молекулярную схему:

Схема полуреакции восстановления:

Уравняем кислород, учитывая, что в кислой среде присутствуют ионы водорода Н⁺ и молекулы воды; присутствие гидроксид-ионов ОН~ исключено. Один несбалансированный атом кислорода связывается в воду двумя ионами Н⁺. Поэтому в левую часть полуреакции на четыре избыточных атома кислорода добавляем восемь ионов водорода Н⁺, при этом в правой части образуется четыре молекулы воды:

Недостаток заряда в левой части обозначим через х и определим его по балансу заряда: -1 + 8 + х = +2, отсюда х = -5.

Поскольку электрон имеет единичный элементарный отрицательный заряд, это соответствует принятию пяти электронов:

Проверим по заряду: -1 + 8 + 5 • (-1) = +2.

Схема полуреакции окисления (левую часть удваиваем для баланса по углероду и водороду):

Свяжем четыре избыточных атома кислорода справа, добавив в правую часть уравнения восемь ионов водорода Н⁺; в левой части появится четыре молекулы воды:

Недостаток заряда в левой части х = + 8; что соответствует отдаче восьми электронов:

Наименьшее общее кратное числа принятых (5) и отданных (8) электронов равно 40. Суммируем полуреакции восстановления и окисления с учётом множителей:

Подчёркнутые члены уравнения являются подобными, поэтому они сокращаются. После сокращения получим ионно-молекулярное уравнение реакции:

Проверим баланс по заряду: 8 • (-1) + 24 = 16; 8 • 2 = 16.

Составим молекулярное уравнение:

уравняв в нем дополнительно ионы К⁺ и SO^^-, не принимавшие участия в процессах окисления и восстановления.

Проверим баланс по кислороду: 8-4 + 12-4 = 80; 8-4 + 10-2 + + 12 + 4-4 = 80.