Тема: Окислительно-восстановительные реакции

Цель работы: ознакомление с окислительно-восстановительными свойствами металлов, неметаллов и их соединений; освоение методики составления уравнений окислительно-восстановительных процессов.

Оборудование: 0,1 М раствор Н₂SO₄, 0,5 Н раствор СuSO₄, разбавленные растворы KMnO₄ и К₄[Fe(CN)₆], имеющие не очень интенсивную окраску, 2М раствор КОН и NaOH, кристаллические Na₂SO₃ и иод, Zn, Mg, Fe (опилки), Cu (стружки), металлическая скрепка (кнопка), штатив, пробирки, держатель, дистиллированная вода, спиртовка, спички, бромная вода.

 

Теоретические пояснения

 

Реакции, протекание которых связано со смещением или полным переходом электронов от одних атомов или ионов к другим, называются окислительно-восстановительными. Число электронов, смещенных от атома (иона) данного элемента к атому (иону) данного элемента в соединении, называют степенью окисления. Степень окисления может быть положительной (электроны смещены от атома или иона) и отрицательной (электроны смещены к атому или иону).

Процесс отдачи электронов, т.е. повышения степени окисления элемента, называют окислением, а вещества отдающие электроны, восстановителями. К типичным восстановителям относятся простые вещества, атомы которых характеризуются невысокой электроотрицательностью (металлы, водород, углерод), некоторые анионы (CI^-, S^2-, SO₃^2- и др.), катионы, у которых степень окисления может возрастать (Fe²⁺, Sn²⁺ и др.), некоторые соединения углерода (углеводороды, оксид углерода), азота (азотоводороды), бора (бороводороды) и др.

Процесс присоединения электронов, т.е. понижение степени окисления, называют восстановлением, а вещества, принимающие электроны, называют окислителями. К окислителям относятся простые вещества, атомы которых характеризуются высокой электроотрицательностью (элементы VI и VII групп главных подгрупп), катионы с высокой степенью окисления (Pb⁺⁴, Cr⁺⁶, Ge⁺⁴), анионы, в которых электроположительный элемент имеет высокую степень окисления (NO₃^-, Cr₂O₇^2-, MnO₄ ^- и др.), высшие оксиды, а также пероксиды.

Окислительно-восстановительные реакции – это одновременно протекающие процессы окисления и восстановления. Реакции, в которых окислители и восстановители представляют собой разные вещества, называют межмолекулярными. Если окислителями и восстановителями служат атомы или ионы одной и той же молекулы, то такие реакции называют внутримолекулярными.

Направление окислительно-восстановительных реакций определяется вторым законом термодинамики. Если процесс протекает при изобарно-изотермических условиях, то прямая реакция возможна при условии, что энергия Гиббса ее ниже нуля: .

Окислительно-восстановительную способность вещества определяет окислительно-восстановительный потенциал реакции (редокс-потенциал) окислительная способность веществ тем выше, чем больше положительное значение окислительно-восстановительного потенциала реакции.

В общем виде обратимую реакцию окисления-восстановления можно записать уравнением

 

где Ox – окисленная форма веществ; Red – восстановленная форма веществ. Уравнение окислительно-восстановительного потенциала () для этой реакции имеет вид

 

где – стандартный окислительно-восстановительный потенциал;

, – активности соответственно окисленной и восстановленной форм веществ.

В случае, если в окислительно-восстановительных реакциях участвуют ионы водорода или гидроксида, потенциалы этих реакций зависят от pH, например, для реакции

NO₃^- + 3H⁺ + 2e^- = HNO₂ + H₂O

 

 

Методика проведения опытов

 

Опыт 1: восстановительные свойства металлов.

 

а) Восстановление ионов Н⁺ металлами.

В три пробирки налейте по 2-3 мл 0,1М раствора серной кислоты. В одну пробирку внесите магний или цинк, во вторую – железо, в третью – медь.

Запишите наблюдения, составьте уравнения протекающих реакций и объясните результаты опыта.

б) Восстановление ионов меди металлическим железом.

Прилейте в пробирку 3-5 мл 0,5Н раствора сульфата меди (II) и погрузите в него металлическую скрепку (кнопку). Через 2 минуты выньте скрепку: что отложилось на ее поверхности? Для каких практических целей служит данная реакция? Какими химическими свойствами обладают все металлы? Назовите три положительных иона металлов с наиболее выраженными окислительными свойствами.

 

Опыт 2: влияние pH среды на окислительно-восстановительные реакции.

 

а) Восстановление перманганата калия сульфитом натрия.

В три пробирки налейте по три миллилитра раствора перманганата калия. В первую пробирку прилейте 2 мл 1 М раствора серной кислоты, во вторую 2 мл Н₂О, в третью 2 мл 2М раствора КОН.

В каждую пробирку добавьте несколько кристалликов сульфита натрия. Запишите наблюдения, составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций и объясните результаты опыта. Учтите, что фиолетовая окраска характерна для ионов MnO₄^-, слабо-розовая (бесцветная) – для ионов Mn²⁺, бурый цвет имеют осадки МnО₂ и Мn(ОН)₂.

 

б) Окисление Fe(II) до Fe(III) в кислой и щелочной среде.

1. К свежеприготовленному раствору FeSO₄ (полученному растворением взятых в избытке опилок железа в разбавленной серной кислоте) прилейте раствор гидроксида натрия. Что наблюдается? Что происходит после взаимодействия полученного осадка с кислородом воздуха? Составьте уравнение реакции и объясните результаты опыта.

2. К свежеприготовленному раствору FeSO₄ добавьте 2 мл 1М раствора серной кислоты и несколько капель бромной воды. В пробирку добавьте 2 капли раствора К₄[Fe(CN)₆]. Запишите наблюдения, составьте уравнения окислительно-восстановительной реакции и объясните результаты опыта.

 

Опыт 3: Реакции диспропорционирования.

 

Кристаллик иода обработайте небольшим количеством 2 М раствора гидроксида натрия при слабом нагревании. Полученный раствор подкислите.

Запишите наблюдения, составьте уравнения окислительно-восстановительной реакции, учитывая, что образуется иодат и иодид натрия.

 

10.3 Необходимый уровень подготовки студентов

 

1. Знать понятия: степень окисления элемента, окислитель, восстановитель, окислительно-восстановительная реакция.

2. Знать наиболее распространенные окислители и восстановители.

3. Уметь связывать окислительно-восстановительные свойства веществ со степенью окисления образующих их атомов элементов.

4. Уметь составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций и расставлять в них коэффициенты, используя метод электронного баланса и метод полуреакций.

 

Задания для самоконтроля

 

1. Определите степень окисления серы в соединениях: Н₂S, Na₂S₂O₃, H₂SO₃, H₂SO₄.

2. Приведите примеры межмолекулярных и внутримолекулярных окислительно-восстановительных реакций.

3. Определите, возможно ли протекание реакции в прямом направлении при 298 К:

CuO + H₂ = Cu + H₂O (ж)

4. От каких факторов зависит окислительно-восстановительный потенциал? Напишите уравнение для расчета окислительно-восстановительного потенциала этой реакции.

5. Приведите пример окислительно-восстановительной реакции, потенциал которой зависит от pH среды, напишите уравнение для расчета окислительно-восстановительного потенциала этой реакции.

6. Какими способами можно определить направление окислительно-восстановительной реакции?

7. Напишите уравнение реакции для расчета окислительно-восстановительного потенциала реакции:

[Co(NH₃)₆]³⁺ + e = [Co(NH₃)₆]²⁺

Рассчитайте значения потенциала при 298 К для случаев, когда активности окисленной и восстановленной форм вещества равны (моль/л): 0,01 и 1,0; 1,0 и 0,01.

 

Лабораторная работа №11