ниципальное автономное образовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №10 с. Покровское
Пригородный района Свердловской области
Исследовательская работа по теме:
«Окислительно-восстановительные реакции».
Автор:
Гаврилеева Виктория Викторовна
ученица 9 б класса
с. Покровское
Домашний адрес:
Свердловская область,
Пригородный район, село Покровское,
Ул.Надеждинская д.42
Руководитель:
Печёрина Ираида Викторовна
Учитель химии, биологии
МАОУ СОШ №10 с. Покровское
Адрес организации:
Свердловская область, Пригородный район
С.Покровское, ул. Школьная 11а
С. Покровское
2024 года
Оглавление:
Введение …………………………………………………………...……………3
Глава 1. Классификация реакций.…………………………………...….4-5
Глава 2. Окислительно-восстановительные реакции……………………6
Глава 3. Решение ОВР методом электронного баланса……………....7-8
1.4. Глава 4. Ионные реакции………………………………………….......9-10
1.5. Глава 5. Решение ОВР электронно-ионным методом полуреакций11-12
1.6. Глава 6. Применение ОВР и ионных реакций……………………..…..13
Заключение………………………………………………………………….……14
Литература………………………………………………………………..……. .15
Приложение
1.1.Проведение экспериментальных реакций……………………………..16-20
Введение.
Я хочу получить образование по профессии врач и связать свою жизнь с медициной. Поэтому мне придется изучать в институте химию на более сложном уровне.
Актуальность:я хочу понять лучше механизм протекания окислительно-восстановительных реакций, так как в медицине и жизни они встречаются на каждом шагу.
Цель: научиться решать ОВР новым методом, который не изучается в курсе химии 9 класс.
В связи с поставленной целью были сформулированы задачи:
1.Проанализировать материалы литературных источников и Интернета обрешение ОВР новым методом – электронно-ионным.
2. Показать применение ОВР и ионных реакций в природе и жизни человека.
3. Научиться решать ОВР электронно-ионным методом полуреакций.
Проблема: действительно ли роль ОВР и ионных реакций настолько велика в изучении органической и неорганической химии.
Объект исследования: реакции ОВР и ионные.
Практическая значимость работы в том, что она помажет показать значение ОВР и ионных реакций в природе, жизни человека и медицине.
При подготовке к написанию работы мною использованы как теоретические методы исследования: литературных данных, ресурсов Интернета, сравнение полученных данных, систематизация исследовательского материала, так и практический метод решение уравнений ОВР и ионных реакций.
Результат: проведение экспериментальных реакций.
Работа для меня оказалась сложной, но познавательной. Я узнала новый способ решения ОВР, применение ОВР в природе ироль ОВР в живых организмах.
Глава 1. Классификация реакций.
Химические реакции или химические явления – это такие процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от них по составу и (или) строению.
Реакции, идущие с изменением состава веществ.
По числу и характеру реагирующих, и образующихся веществ,и изменению степеней окисления элементовможно выделить 4 типа реакций: соединения, разложения, замещения и обмена.
1) Реакции соединения
Реакции соединения – это такие реакции, при которых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество.
2S0 + O20 =2S+2O-2
2S+2O-2+ O20= 2S+4O2-2
4N+4O2-2 + O20 + 2H2+1O-2 = 4H+1N+5O3-2
2)Реакции разложения
Реакции разложения – это такие реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ.
2Hg+2O-2 = 2Hg0 + O20
2K+1N+5O3-2 = 2K+1N+3O2-2 + O20
2K+1Mn+7O4-2 = K2+1Mn+6O4-2 + Mn+4O2-2 + O20
3)Реакции замещения
Реакции замещения – это такие реакции, при которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе.
2Na0 + 2H2+1O-2 = 2Na+1O-2H+1 + H20
2Al0 + Cr2+3O3-2= Al2+3O3-2 + 2Cr0
Fe0 + Cu+2S+6O4-2 = Fe+2S+6O4-2 + Cu0
4)Реакции обмена
Реакции обмена - это такие реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями.
2Cr+6O3 + 3Mn+2O = Cr2+3O3 + 3Mn+4O2
Глава 2. Окислительно-восстановительные реакции.
Окислительно-восстановительные реакции составляют особый класс химических процессов. Их характерной особенностью является изменение степени окисления. Окисление – это процесс потери (отдачи) электронов у одного из атомов и восстановление – это процесс, когда другой атом присоединяет (внедряет) электрон. Следовательно, такие два полупроцесса, самостоятельно существовать не могут. Вещества, содержащие атомы, которые понижают свою степень окисления, называются окислителями, а вещества, содержащие атомы, которые повышают степень окисления, - восстановителями.
Межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции характеризуются тем, что атомы, изменяющие свои степени окисления, находятся в разных по своей химической природе атомных или молекулярных частицах. Другими словами одни вещества (простые или сложные), вступающие в химические реакции, являются окислителями, а другие восстановителями. Межмолекулярные процессы составляют наиболее обширную группу окислительно-восстановительных реакций, потому что к ним относятся реакции соединения, замещения и обмена.
2S0 + O2 0 = 2S+2O-2
2Na0 + 2H2+1O = 2Na+1OH + H20
2Cr+6O3 + 3Mn+2O = Cr2+3O3 + 3Mn+4O2
Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакциихарактеризуются тем, что атомы, изменяющие свои степени окисления, находятся в одной и той же молекулярной частице, к внутримолекулярным процессам относятся реакции разложения при нагревании.
(N-3H4)2Cr2+6O7= N20 + Cr2+3O3 + 4H2O
Среди внутримолекулярных окислительно-восстановительных реакций выделяют диспропорционирования.
2KMn+7O4-2 = K2Mn+6O4 + Mn+4O2 + O20
Глава 3. Решение ОВР методом электронного баланса.
20Fe+2S2-1 + 55O20 = 10Fe2+3O3-2 + 40S+4O2-2
В-ЛЬ
о-еFe+2 - 1eFe+3 10 10Fe+2 – 10e 10Fe+3
+2 - 1*(-1)+3
В-ЛЬ
о-еS-1- 5e S+4 10 2 2S-1 – 10e 2S+4
-1 – 5*(-1) +4
О-ЛЬ
в-еO0 +2eO-2 5 5O0 + 10e 5O-2
0+2*(-1) -2___________________________________________________________
20Fe; 40S; 55O 20Fe; 40S; 55O
Что бы уменьшить коэффициенты в главном уравнение я взяла для решения одно уравнение окислительное
4Fe+2S2-1 + 11O20 = 2Fe2+3O3-2 + 8S+4O2-2
В-ЛЬ
о-еFe+2 - 1eFe+3 2 2Fe+2 – 2e 2Fe+3
+2 - 1*(-1) +3
О-ЛЬ2
в-еO0 +2eO-2 1 O0 + 2eO-2
0+2*(-1) -2
8Al0 + 30 H+1N+5O3-2 = 8Al+3(N+5O3-2)3-1 + 3(N-3H4+1)+1(N+5O3-2) + 9H2+1O-2
+1+x-6=0 +3+(x-6)*3=0 x+4=+1 x-6=-1
x=+5 3+3x-18=0 x=-3 x=+5
3x=+15
в-льx=+5
о-еAl0 - 3eAl+3 8 8Al0 – 24e 8Al+3
0 – 3*(-1) +3 24
о-ль
в-е N+5 + 8eN-33 3N+5 + 24e 3N-3
+5 – 8*(-1) - 3
8Al; 30N; 30H; 90O 8Al; 30N; 30H; 90O
Глава 4. Ионные реакции.
Эти реакции характеризуют свойства электролитов и в растворах протекают по правилу Бертолле: только в том случае, если в результате её образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например – H2O).
Реакция нейтрализации, идущая с образованием соли и воды:
Na+1(OH)-1 + H+1(NO3)-1 = Na+1(NO3)-1 + H+1(OH)-1
Реакция между щёлочью и солью, идущая с образованием газа:
2(N-3H4+1)+1Cl-1 + Ca+2(OH)2-1 = Ca+2Cl2-1+ 2N-3H3+1| + 2H+1(OH)-1
Реакция между щёлочью и солью, идущая с образованием осадка:
Cu+2(SO4)-2 + 2K+1(OH)-1 = Cu+2(OH)2-1| + K2+1(SO4)-2
Данные реакции не являются окислительно-восстановительными, так как у ионов: катионов и анионов не изменяется степень окисления.
Решение ионных реакций.
Na+1(OH)-1 + H+1(NO3)-1 = Na+1(NO3)-1 + H+1(OH)-1
Р Р Р М
Молекулярнаяреакция.
Na1+ + (OH)1- + H1+ + (NO3)1- = Na1+ + (NO3)1- + H+1(OH)-1
Полнаяионнаяреакция
(OH)1- + H1+ = H+1(OH)-1
Сокращенная ионная реакция
________________________________________________
2(NH4)+1Cl-1 + Ca+2(OH)2-1 = Ca+2Cl2-1+ 2N-3H3+1+ 2H+1(OH)-1
Р М Р М
Молекулярная реакция
2(NH4)+1Cl-1 + Ca+2(OH)2-1 = Ca+2Cl2-1+ 2(NH4)+1(OH)-1
Молекулярнаяреакция
2(NH4)1+ +2Cl1-+ Ca+2(OH)2-1= Ca2+ + 2Cl1-+ 2(NH4)1+ + 2(OH)1-
Полнаяионнаяреакция
Ca+2(OH)2-1 = Ca2+ + 2(OH)1-
Сокращенная ионная реакция
_______________________________________________
Cu+2(SO4)-2 + 2K+1(OH)-1 = Cu+2(OH)2-1| + K2+1(SO4)-2
Р Р Н Р
Молекулярная реакция
Cu2+ + (SO4)2- + 2K1+ + 2(OH)1- = Cu+2(OH)2-1| + 2K1+ + (SO4)2-
Полнаяионнаяреакция
Cu2+ + 2(OH)1- = Cu+2(OH)2-1|
Сокращенная ионная реакция
Глава 5. Решение ОВР ионно-электронным методом полуреакций.
Реакции окисления-восстановления, также как и реакции обмена, в растворах электролитов происходят с участием ионов. Именно поэтому ионно-молекулярные уравнения ОВР более наглядно отражают сущность реакций окисления-восстановления.
Написании ионно-молекулярных уравнений:
сильные электролиты записывают в виде ионов, а слабые электролиты, осадки и газы записывают в виде молекул (в недиссоциированном виде).
При написании полуреакций в ионной схеме указывают частицы, подвергающиеся изменению их степеней окисления, а также характеризующие среду, частицы:
H1+ — кислая среда, ОН1- — щелочная среда и Н2О - нейтральная среда.
Пример 1.
Рассмотрим пример составления уравнения реакции между сульфитом натрия и перманганатом калия в кислой среде.
1) Составить схему реакции:
Записать исходные вещества и продукты реакции:
Na+12 SO3-2 + K+1MnO4-2 + H+12SO4 Na2SO4 + MnSO4 + K2SO4 + H20
2) Записать уравнение в ионном виде
В уравнении сократим те ионы, которые не принимают участие в процессе окисления-восстановления:
SO32- +MnO41- + 2H1+= Mn2++ SO42- + H2O
3) Определить окислитель и восстановитель и составить полуреакции процессов восстановления и окисления.
В приведенной реакции окислитель –MnO41-перманганат ионапринимает
5 электронов восстанавливаясь в кислой среде до Мn2+.
При этом освобождается кислород, входящий в состав MnO41-, который, соединяясь с Н1+ образует воду.
MnO41-+ 8H1+ + 5e = Mn2++ 4H20
Восстановитель SO3 2-, — окисляется до SO42-, отдав 2 электрона. Как видно образовавшийся ион SO42- содержит больше кислорода, чем исходный SO32-. Недостаток кислорода восполняется за счет молекул воды и в результате этого происходит выделение 2Н1+:
SO32-+ H20 – 2е- = SO42- + 2H1+
4) Найти коэффициенты для окислителя и восстановителя
Необходимо учесть, что окислитель присоединяет столько электронов, сколько отдает восстановитель в процессе окисления-восстановления:
MnO41- + 8H1+ + 5е- = Mn2++ 4H20
окислитель, процесс восстановления
2 MnO41-+ H2O - 2е- = SO42- + 2H1+
восстановитель, процесс окисления
5) Просуммировать обе полуреакции
Предварительно умножая на найденные коэффициенты, получаем:
2MnO41- + 16H1++ 5SO32-+ 5H20 = 2Mn2++ 8H20 + 5SO42- + 10H1+
Сократив подобные члены, находим ионное уравнение:
2MnO41- + 5SO32- + 6H1+ = 2Mn2++ 5SO42-+ 3H20
6) Записать молекулярное уравнение
Молекулярное уравнение имеет следующий вид:
5Na2SO3+ 2KMnO4+ 3H2SO4 = 5Na2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H20
Необходимо отметить, что не всегда при наличии окислителя и восстановителя, возможно самопроизвольное протекание ОВР. Поэтому для количественной характеристики силы окислителя и восстановителя и для определения направления реакции пользуются значениями окислительно-восстановительных потенциалов.
Пример:
Окисление нитрита натрия перманганатом калия в щелочной среде
Составим схему реакции:
NaNO2+K+KOH NaNO3+K2MnO4+H2O
Составим полу реакции окисления нитрит-иона и восстановления перманганат-иона с учётом содержания в них атомов кислорода и характера среды:
NO-13+2OH-1-2e =NO-13+H2O
Mn04-2 + e = Mn04-2 |2|
NO2-1 + 20H-1 + 2Mn04 -2 = NO3-1 + H20 + 2MnO}
Дописываем недостающие ионы Na* и К+ и получаем молекулярное уравнение реакции:
NaNO2 + 2KMn04 + 2KOH = NaNO3+ 2K2Mn04 + H20
Глава 6. Применение ОВР и ионных реакций.
Окислительно-восстановительные реакции – это редокс-реакции (изменение числа электронов). Эти реакции самые распространенные и играют большую роль в природе, технике. Они являются основой жизнедеятельности. С ними связаны дыхание и фотосинтез, гниение и брожение.
Биологические процессы. Дыхание: В организме человека происходит окисление глюкозы с образованием углекислого газа и воды, что приводит к выделению энергии. Фотосинтез: Растения используют световую энергию для окисления воды и восстановления углекислого газа до глюкозы.
Гниение - разложение сложных азотсодержащих органических соединений (преимущественно белков) под действием гнилостных микроорганизмов. При гниении выделяется преимущественно газообразный аммиак. Гниение играет важную роль в круговороте веществ в природе: в результате жизнедеятельности и гибели животных и растений, в почву и водоёмы попадают много белковых продуктов, которые лишь благодаря деятельности гнилостной микрофлоры не накапливаются, а минерализуются.
2. Промышленность: Производство металлов: ОВР используются для восстановления металлов из их руд. Например, производство железа из оксида железа (III).Электролиз применяется в технике, в искусстве и быту для защиты металлических изделий от коррозии. На их поверхности наносится тончайший слой другого металла – хрома, серебра, золота, меди, никеля. Нанесенные на металлы электролизом покрытия получаются ровными по толщине, прочными, служат долго и, кроме того, таким способом можно покрывать изделие любой формы.
-Аккумуляторы: В процессе зарядки и разрядки аккумуляторов происходят ОВР. Например, в свинцово-кислотных аккумуляторах.
3. Химическая промышленность: Производство аммиака: Процесс Гарбера, где азот восстанавливается водородом.
-Производство кислот: Например, производство серной кислоты, где сера окисляется до S+6.
Для целей отбеливания и дезинфекции пользуются окислительными свойствами таких наиболее известных средств, как пероксид водорода, перманганат калия, хлор и хлорная, или белильная, известь.
Если требуется окислить с поверхности изделия какое-либо легко разрушающееся вещество, применяют пероксид водорода. Он служит для отбеливания шелка, перьев, меха. С его помощью также реставрируют старинные картины.
4. Очистка воды: Озонирование: Использование озона для окисления органических загрязнителей в воде.
Дезинфицирующее действие перманганата калия основано на окислительном свойстве.
Хлор как сильный окислитель используют для стерилизации чистой воды и обеззараживания сточных вод. Хлор разрушает многие краски, на чем основано его применение при белении бумаги и тканей. Хлорная, или белильная, известь – это один из самых распространенных окислителей как в быту, так и в производственных масштабах.
5. Пищевая промышленность: Консервирование: Использование антиоксидантов для предотвращения окисления жиров и других компонентов пищи. Ввиду безвредности для организма пероксид водорода применяют в пищевой отрасли промышленности для отбеливания шоколада, рубцов и оболочек в производстве сосисок.
6. Использование катализаторов для окисления вредных веществ в выхлопных газах автомобилей.
Заключение.
Я научилась решать окислительно-восстановительные реакции новым методом - ионно-электронным полуреакций, который не изучается в курсе химии 9 класса.
Решила все поставленные задачи:
Проанализировала материалы литературных источников об решение окислительно-восстановительные реакции новым методом – электронно-ионным. Сопоставляя полуреакции я отметила, что достоинства метода электронно-ионного, по сравнению с методом электронного баланса в том, что в нем применяются не гипотетические ионы, а реально существующие. При методе полуреакций не нужно знать степени окисления атомов. При нем же видна активная роль среды.
Реакции окисления-восстановления, также как и реакции обмена, в растворах электролитов происходят с участием ионов. Именно поэтому электронно-ионные уравнения более наглядно отражают сущность реакций окисления-восстановления. При написании электронно-ионных уравнений, сильные электролиты записывают в виде ионов, а слабые электролиты, осадки и газы записывают в виде молекул (в недиссоциированном виде).
Также я показала применение окислительно-восстановительных и ионных реакций в природе и жизни человека. С ними связан обмен веществ в живых организмах и фотосинтез в зеленных частях растений. Электролиз используется для получения многих металлов, а также для очистки некоторых металлов от примесей, от коррозии. Ионные реакции лежат в основе мероприятий по охране природы, металлургических процессов и круговорота элементов в природе.
Литература.
Печатные ресурсы:
Крицман В. А., Книга для чтения по неорганической химии. Ч. II. Учеб. пособие для учащихся 9 класс – Москва: «Просвещение», 1984 г.
Третьяков Ю. Д., Алейников Н. Н., Кеслер Я. А., Казимирчик И. В., Химия: Справочные материалы: Книга для учащихся. – Москва: «Просвещение», 1988 г.
Интернет-ресурсы:
https://foxford.ru/wiki/himiya/metod-elektronno-ionnogo-balansa?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F-методэлектронно-ионного баланса. Химия, Химические реакции
https://eni.ssau.ru/chem/chem_online_book/metod-ionno-elektronnyh-shem-2/метод ионно-электронных схем - Химический факультет
https://studizba.com/lectures/himija/obschaja-himija/26370-rol-okislitelno-vosstanovitelnyh-processov.html роль окислительо-восстановительных процессов - Общая химия
https://www.n-asveta.by/dadatki/madelny_urok/2019/ukrainets(2).pdf окислительно-восстановительные процессы в природе, технике, быту.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Окислительно-восстановительные_реакции общая характеристика окислительно-восстановительных реакций.
Практическая часть:
Приложение 1:
Процесс горения спички – это окислительно-восстановительный процесс.
Мы каждый день встречаемся со спичками, а знаем ли мы какие там процессы? Слово «спичка» является производным от старорусского слова «спица» (заостренная деревянная палочка, заноза).
Состав зажигательной смеси для головок спичек:
Бертолетовая соль, хромпик, сера, пиролюзит, сурик железный, стеклянный порошок, клей костный, окись цинка.
Ость спички: целлюлоза, парафин.
Состав намазки для спичечного коробка:
Фосфор красный, пиролюзит, сурьма трёх сернистая, мел, каолин, стеклянный порошок, лигносульфон, декстрин.
Главное вещество бертолетова соль – KClO3, кислород входящий в состав сложного вещества обладает свойствами окислителя, как простое вещество кислород в момент его разложения.
Происходящие реакции:
При ударе образуется искра.
Красный фосфор загорается, превращаясь в белый фосфор (свечение).
2KClO3 2KCl + 3O2
S + O2 SO2
3S + 2KClO3 2KCl + 3SO2
Горение парафина
2C20H42 + 61O2 40CO2 + 42H2O
Горение целлюлозы
(C6H10O5)n + 6nO2 6nCO2 + 5nH2O
Бенгальский огонь.
Приложение 2.
Горят ли в небе причудливые фейерверки – это тоже окислительно-восстановительные процессы.
2K+1Cl+5O3-2 2K+1Cl-1 + 3O20
о-ль
в-еCl+5+ 6eCl-1 1
в-ль 6
о-еO-2 – 2eO0 3 3O-2 – 6e3O0
2K; 2Cl; 6O 2K; 2Cl; 6O
S0 + O20 S+4O2-2
в-ль
о-еS0 – 4eS+41
4
о-ль
в-еO0 + 2eO-22 2O0 + 4e 2O-2
1S; 2O 1S; 2O
Решение ОВР ионно-электронным методом полуреакций:
3S0 + 2K+1Cl+5O3-2 2K+1Cl-1 + 3S+4O2-2
ClO31-Cl1- + O2-
В-еClO31-+ 2е1- = Cl1-+ O2-
о-еS0 – 4eS4+
ClO31- + S0Cl1- + S4+ + 3O2-
K1+ K1+
S0+ K1+ + ClO31- K1+ +Cl1- + S4+ + 3O2-
S0+ K+1Cl+5O3-2K+1Cl-1 + S+4O2-2
Итог: 3S0+ 2K+1Cl+5O3-2 = 2K+1Cl-1 + 3S+4O2-2
Приложение 3.
Лабораторный опыт: (соблюдайте правила ТБ)
В четыре пронумерованные пробирки налито по 1-2 мл разбавленного раствора перманганата калия. В первую пробирку добавьте несколько капель раствора серной кислоты, во вторую – воду, в третью – гидроксида калия, четвертую пробирку оставьте в качестве контрольной. Затем в первые три пробирки прилейте, осторожно взбалтывая, раствор сульфита натрия.
Отметьте как изменяется окраска раствора в каждой пробирке:
1 пробирка -
2 пробирка –
3 пробирка –
4 пробирка - контроль
Задание: К схемам реакций:
KMnO4+ Na2SO3 + H2SO4 →MnSO4+ Na2SO4 + K2SO4 + H2O
KMnO4+ Na 2SO 3 + H2O →MnO2↓ + Na2SO4 + KOH
KMnO4+ Na 2SO3 +КOH→ Na2SO4 + K2MnO4+ H2O
Подберите коэффициенты методом электронного баланса. Укажите окислитель и восстановитель.
23