Степень окисления (СО) атомов некоторых элементов

 

Атомы элемен-тов в хи- мических соедине- ниях	Прос- тое веще- ство	Водород	Фтор	Щелочные металлы	Щелочно-земельные металлы	Кислород
с более ЭО эле-ментом	с метал- лами (гидри-ды)	с более электро-положи-тельными элементами	со фто-ром
СО		+1	–1	–1	+1	+2	–2	+1, +2

Пример 1. Определите, используя таблицу, степень окисления (СО): хрома в К₂Cr₂O₇. Серы в сульфите-ионе SO₃^{2 2 –} .

 

Решение. Степень окисления – это условный заряд атома в молекуле химического соединения, который определяется из допущения, что общая электронная пара в молекуле полностью смещена в сторону более электроотрицательного атома. Молекула же в целом электронейтральна. Определяем степень окисления хрома, если степень окисления калия +1, а степень окисления кислорода – 2.

 

: +2 + 2х ­– 14 = 0; 2х = 12; х = 6.

СО хрома равна +6. Аналогично определяем СО серы в сульфит-ионе, заряд которого равен – 2.

: х – 6 = –2; х = 4.

Степень окисления серы в сульфит-ионе равна +4.

Пример 2. Определите, какие из нижеприведенных реакций:

a) Zn + H₂CO_4(разб) = ZnSO₄ + H₂↑;

б) ZnO + CO₂ = ZnCO₃;

в) MnO₂ + Al = Al₂O₃ + Mn.

являются окислительно-восстановительными. Укажите окислитель и восстановитель. Процессы окисления и восстановления. Расставьте коэффициенты, используя метод электронного баланса.

Решение. В окислительно-восстановительных реакциях изменяются степени окисления атомов элементов реагирующих веществ. Находим СО всех атомов в реакции а):

.

Изменились СО атомов элементов цинка и водорода, следовательно, реакция а) окислительно-восстановительная.

Произошли следующие изменения:

₃₀Zn²⁺ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²,

₃₀Zn⁰ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s⁰.

Как видно из электронных формул, атом цинка отдал два электрона. СО его повысилась:

Zn⁰ – 2ē = Zn²⁺

восстановительная окисленная

форма форма

Атом, молекула или ион, отдающий электроны, называется восстановителем, а процесс отдачи электронов называется окислением.

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 – (Н⁺) восстанавливается.

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

восстановитель Zn^0 – 2ē = Zn^2+ окислитель 2H^+ + 2ē = Н2^0		окисляется восстанавливается
Zn^0 + 2H^+= Zn^2++ Н2^0.

 

В реакции б) СО элементов не меняется:

.

следовательно, эта реакция не окислительно-восстановительная.

В реакции в) изменяются степени окисления атомов реагирующих веществ:

.

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

восстановитель Al^0 – 3ē = Al^3+ окислитель Mn^4+ + 4ē = Mn^0		окисляется восстанавливается
4Al^0 + 3Mn^4+= 4Al^3++ 3Mn^0

 

Для подбора коэффициентов находим наименьшее 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) N₂ ⁰®NO; 2) NH₄ ⁺ ® NH₃; 3) NO₂^–®NO₃ ^–; 4) NO₃ ^–®NH₄ ⁺ . Решение. Определим СО азота в предложенных частицах: N₂ ⁰ ; ; ; .

Строение нейтрального атома азота следующее: ₇N⁰ 1s²2s²2p³. На внешнем энергетическом уровне атома пять электронов. В частице NH₄ ⁺ СО атома азота равна – 3, ₇N^–3 1s²2s²2p⁶), 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 N₂⁰ и 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) N₂⁰® , 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:

Mg^0 – 2ē ® Mg^2+ SO4^2^2–+ 10Н^++ 8ē ® H2S + 4Н2О

 

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 почленно 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:

Mg^0 – 2ē ® Mg^2+ S^+6+ 8ē ® S^2–

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 ® Cl^–

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

Получаем систему уравнений:

 

[Cr(OH)4]^–+ 4OH^–– 3ē ® CrO4^2 2– + 4H2O Cl2 + 2 ē ® Cl^–

процесс окисления процесс восстановления

 

При сложении уравнений процессов окисления и восстановления и подборе коэффициентов 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.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

181. Реакция протекает по схемам:

Na₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ ® Na₂SO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O,

Zn + HNO₃ ® Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + H₂O.

разб.

Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, какое восстановителем, какое вещество окисляется, какое восстанавливается.

182. См. формулировку вопроса задачи № 181.

K₂CrO₇ + H₂S+ H₂SO₄ ® Cr₂ (SO₄)₃ + S + H₂O + K₂SO₄,

Be + HNO₃ ® Be(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O.

конц.

183. См. формулировку вопроса задачи № 181.

KMnO₄ + Na₂SO₃+ H₂O ® MnO₂ + Na₂SO₄ + KOH,

Hg + H₂SO₄ ® HgSO₄ + SO₂ + H₂O.

конц.

184. См. формулировку вопроса задачи № 181.

K₂S + KMnO₄ + H₂SO₄ ® S + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O,

Zn + H₂SO₄ ® Zn SO₄ + H₂S + H₂O.

конц.

185. См. формулировку вопроса задачи № 181.

 

Mn + HNO₃ ® Mn(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O,

разб.

KI + KMnO₄ + H₂SO₄ ® I₂ + KSO₄ + MnSO₄ + H₂O.

 

186. См. формулировку вопроса задачи № 181.

Cd + HNO₃ ® Mn(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O,

конц.

MnSO₄ + KClO₃ + KOH ® K₂MnO₄ + KCl + K₂SO₄ + H₂O.

187. См. формулировку вопроса задачи № 181.

Be + H₂SO₄ ® BeSO₄ + H₂S + H₂O,

конц.

KMnO₄ + KNO₂+ H₂SO₄ ® MnSO₄ + KNO₃ + K₂SO₄ + H₂O.

188. См. формулировку вопроса задачи № 181.

MnO₄ + KNO₃+ KOH ® K₂MnO₄ + KNO₂ + H₂O,

Sn + H₂SO₄ ® Sn(SO₄)₂ + SO₂ + H₂O.

конц.

189. См. формулировку вопроса задачи № 181.

Mn(NO₃)₂ + KMnO₄ + H₂O → MnO₂ + KNO₃ + HNO₃,

H₂SO₄ + HClO₄ ® H₂SO₄ + HCl.

190. См. формулировку вопроса задачи № 181.

KMnO₄ + NaAsO₃ + H₂SO₄ ® MnSO₄ + Na₃AsO₄ + K₂SO₄ + H₂O,

HCl + CrO₃ ® Cl₂ + CrCl₃ + H₂O.

191. Определите, какие из перечисленных ниже реакций являются окислительно-восстановительными и расставьте в них коэффициенты:

а. CaO + CO₂ ® CaCO₃;

б. K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ ® CrO₃ + K₂SO₄ + H₂O;

в. KMnO₄ + HBr ® Br₂ + KBr + MnBr₂ + H₂O.

192. Определите, какие из перечисленных ниже реакций являются окислительно-восстановительными и расставьте в них коэффициенты:

а. Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ ® CaCO₃ + H₂O;

б. Zn + HNO₃ ® Zn(NO₃)₂ + N₂O + N₂O + H₂O;

в. K₂Cr₂O₇ + SnSO₄ + H₂SO₄ ® Cr₂(SO₄)₃ + Sn(SO₄)₂ + K₂SO₄ + H₂O.

193. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисления или восстановления происходит при следующих превращениях:

а. Mn³⁺ ® Mn²⁺; MnO₂ ® Mn³⁺; б. MnO₄^{2 2–} ® MnO₄^– ; Mn²⁺ ® MnO₄^{2 2–} .

На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций, идущих по схемам:

Cd + H₂SO₄ ® Cd(SO₄)₂ + SO₂ + H₂O;

конц.

KMnO₄ + H₃AsO₃ + H₂SO₄ ® MnSO₄ + H₃AsO₄ + K₂SO₄ + H₂O.

194. См. формулировку задачи № 193.

a. MnO₄^{2 2–} ® MnO₄^– ; SO₃^{2 2–} ® SO₄^2– ; NO₃^– ® N₂^{2 0};

б. Al + HNO₃ ® Al(NO₃)₃ + N₂ +H₂O;

разб.

KMnO₄ + Na₂SO₃ + KOH ® K₂MnO₄ + Na₂SO₄ + H₂O.

195. См. формулировку задачи № 193.

a. N₂ ® NO; N_{2 2} ® NH₃ ; NO₃^– ® NH₄⁺ ;

б. MnO₂ + HCl ® MnCl₂ + Cl₂ +H₂O;

конц.

Ca + HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + H₂O.

разб.

196. См. формулировку задачи № 193.

a. Cr₂ O₇^2– ® 2Cr³⁺; NO₃^– ® NO₂; CrO₂^– ® Cr₂ O₄^2– ;

б. K₂Cr₂O₇ + HCl ® Cl₂ + CrCl₂ +H₂O;

конц.

Ni + HNO₃ ® Ni(NO₃)₂ + NO + H₂O.

разб.

197. См. формулировку задачи № 193.

a. Cl⁵⁺ ® Cl^–; N^– ® N⁵⁺; Fe³⁺ ® Fe²⁺ ;

б. Sc + HNO₃ ® Sc(NO₃)₃ + NH₄NO₃ +H₂O;

разб.

FeSO₄ + KClO₃ + H₂SO₄ ® Fe₂(SO₄)₃ + KCl + H₂O.

198. а. Определите степени окисления железа в следующих частицах:

Fe⁰; FeOH⁺; FeO₄^–; FeO₄^2–.

б. На основании электронных уравнений. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

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

199. а. Определите степени окисления серы в следующих частицах:

HS^–; SO₃^2–; SO₄^2–; S⁰.

б. На основании электронных уравнений, расставьте коэффициенты в уравнениях реакций, идущих по схемам:

K₂Cr₂O₇ + K₂S + H₂SO₄ ® Cr₂(SO₄)₃ + S + K₂SO₄ + H₂O;

Cu + HNO₃ ® Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O.

разб.

200. а. Определите степени окисления титана в следующих частицах:

Ti⁰; TiOH²⁺; TiO₃^2–; TiO²⁺.

б. На основании электронных уравнений, расставьте коэффициенты в уравнениях реакций, идущих по схемам:

Ti + H₂SO₄ ® TiSO₄ +S⁰ + H₂O;

конц.

Cd + KMnO₄ + H₂SO₄ ® CdSO₄ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O.