Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные реакции

Классификация реакций

Все химические реакции можно разделить на 2 группы , в одних реакциях степень окисления атомов остается неизменной ( обменные реакции ), а в других реакциях она меняется – это окислительно-восстановительные реакции .                  

Протекание их связано с переходом электронов от одних атомов (ионов) к другим.

Процесс отдачи электронов -  окисление , сопровождается увеличением положительной степени окисления или уменьшением отрицательной.

Процесс принятия электронов -  восстановление ,  сопровождается уменьшением положительной степени окисления или увеличением отрицательной. ​​

Атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны, называются  окислителями .

Атомы, молекулы или ионы, отдающие  электроны, называются  восстановителями .  ​

Окисление всегда сопровождается восстановлением.

Окислительно-восстановительные реакции представляют собой единство двух противоположных процессов – окисления и восстановления. ​

Окислители

Простые вещества, атомы которых обладают большой величиной  электроотрицательности.  Это элементы VII, VI, V групп главных подгрупп, из них наиболее активные – фтор, кислород, хлор.

Сложные вещества, катионы которых находятся в высшей степени окисления.   ​

  Например:   SnCl4, FeCl3, CuSO4.  ​

Сложные вещества, в анионах которых атом металла или неметалла находятся в высшей степени окисления

  Например: К 2 Сr 2 O 7 , КМnO 4 , КNO 3 , H 2 SO 4 .

Восстановители

Элементы I, II, III групп главных подгрупп. Например: Na, Zn, H 2 , Al.

Сложные вещества, катионы которых находятся в низшей степени окисления. Например: SnCl 2 , FeCl 2 .

Сложные вещества, у которых анионы достигают предельной отрицательной степени окисления. Например: KI, H 2 S, NH 3 .

Вещества, ионы которых находятся в промежуточных степенях окисления могут быть как окислителем, так и восстановителем  Например: Na 2 SO 3 .

Мерой восстановительных свойств служит величина энергии ионизации (это  энергия, необходимая   для последовательного отделения электронов от атома.) 

5

5

Типы ОВР

Межмолекулярные

Внутримолекулярные

Диспропорционирования

Протекают с одновременным уменьшением и увеличением степени окисления атомов одного и того же элемента.  ​

3HNO2 → HNO3 + 2NO + H2O               ​

  В межмолекулярных   ОВР  элементы     окислитель и восстановитель находятся                в разных веществах. 

2  N 3+ +  e = N 2+  - восстановление ​

Например:

1  N 3+ - 2е = N 5+  - окисление ​

  SnCl 2   + 2FeCl 3   →   SnCl 4 +2FeCl 2                          

2   Fe 3+    +  e = Fe 2+            - восстановление

1   Sn 2+    - 2е = Sn 4+                          окисление

Происходят  с изменением степени окисления разных атомов в одной и той же молекуле. Например:                   

  2   КClO 3    →   2KCl  + 3O 2

2    Cl 5+   + 6e = Cl -      -  восстановление

3   2О 2-    - 4е- = О 2         -  окисление

Влияние среды на характер протекания ОВР

ОВР могут протекать в различных средах: в кислой (избыток Н 3 О + - ионов), нейтральной ( Н 2 О ) и щелочной (избыток ОН - - ионов). 

В зависимости от среды может меняться характер протекания реакции между одними и теми же веществами. Среда влияет на изменение степени окисления атомов.

-

5

Окислительно-восстановительные реакции с перманганатом калия

1 .  KMnO 4   (перманганат калия) является сильным окислителем, в сильнокислой среде восстанавливается до ионов Мn 2+ , в нейтральной среде - до MnO 2 (оксида марганца IV) и  в сильно щелочной среде - до МnО 4 2-   (манганат-иона).

  Окислительно- восстановительная  двойственность пероксида водорода

Окислительные свойства К 2 СrО 4 и К 2 Сr 2 О 7

• 3. Хромат калия К 2 СrО 4   и дихромат калия К 2 Сr 2 О 7 - сильные окислители. В кислых и щелочных растворах соединения Сr(III) и Сr(VI) существуют в разных формах.

Метод электронно-ионного баланса (метод полуреакций).  

• Реакции, протекающие в кислой среде.  
• Правило: если реакция протекает в кислой среде, то можно оперировать ионами Н 3 О+ (Н+) и молекулами воды. Ионы Н 3 О+ (Н+) записывают в той части уравнения полуреакции, где есть избыток кислорода, молекулы воды записывают соответственно в той части, где кислорода нет или есть недостаток его. Причем количество Н 3 О+ (Н+) берется в два раза больше, чем количество избыточных атомов кислорода.

5

1)Na2SO3 + KMnO4 + H2SO4 = Na2SO4 + MnSO4 + K2SO4 + H2O

2)В уравнении сократим те ионы, которые не принимают участие в процессе окисления-восстановления:

SO 3 2-  + MnO 4 —  + 2H +  = Mn 2+  + SO 4 2-  + H 2 O

3)Определить окислитель и восстановитель и составить полуреакции процессов восстановления и окисления.

В приведенной реакции  окислитель — MnO 4 —  принимает 5 электронов восстанавливаясь в кислой среде до Mn 2+ . При этом освобождается кислород, входящий в состав MnO 4 — , который, соединяясь с H +  образует воду:

MnO 4 —  + 8H +  + 5e —  = Mn 2+  + 4H 2 O

Восстановитель SO 3 2-  — окисляется до SO 4 2- , отдав 2 электрона. Как видно образовавшийся ион SO 4 2-  содержит больше кислорода, чем исходный SO 3 2- . Недостаток кислорода восполняется за счет молекул воды и в результате этого происходит выделение 2H + :

SO 3 2-  + H 2 O — 2e —  = SO 4 2-  + 2H +

4)   Найти коэффициенты для окислителя и восстановителя

Необходимо учесть, что окислитель присоединяет столько электронов, сколько отдает восстановитель в процессе окисления-восстановления:

MnO 4 —  + 8H +  + 5e —  = Mn 2+  + 4H 2 O       |2              окислитель, процесс восстановления

SO 3 2-  + H 2 O — 2e —  = SO 4 2-  + 2H +           |5              восстановитель, процесс окисления

5)   Просуммировать обе полуреакции

Предварительно умножая на найденные коэффициенты, получаем:

2MnO 4 —  + 16H +  + 5SO 3 2-  + 5H 2 O = 2Mn 2+  + 8H 2 O + 5SO 4 2-  + 10H +

Сократив подобные члены, находим ионное уравнение:

2MnO 4 —  + 5SO 3 2-  + 6H +  = 2Mn 2+  + 5SO 4 2-  + 3H 2 O

6)   Записать молекулярное уравнение

Молекулярное уравнение имеет следующий вид:

5Na 2 SO 3  + 2KMnO 4  + 3H 2 SO 4  = 5Na 2 SO 4  + 2MnSO 4  + K 2 SO 4  + 3H 2 O

• Na 2 Cr 2 O 7 + KBr + H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4 ) 3 + Br 2 + …

ок. вос. среда

• Решение .

1| Cr 2 O 7 2- + 14H + + 6e = 2Cr 3+ + 7H 2 O

3| 2Br - - 2e = Br 2  

Cr 2 O 7 2- + 14H + + 6Br - = 2Cr 3+ + 7H 2 O + 3Br 2

Na 2 Cr 2 O 7 + 6KBr + 7 H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4 ) 3 + 3Br 2 +

3 К 2 SO 4 + Na 2 SO 4 + 7H 2 O

Na 2 Cr 2 O 7 - окислитель, восстанавливается;

KBr - восстановитель, окисляется.

5

Реакции, протекающие в щелочной среде.

Правило: если реакция протекает в щелочной среде , то можно оперировать ионами ОН- и молекулами воды . Ионы ОН- записываются в той части уравнения полуреакции, где есть недостаток кислорода, молекулы воды записываются соответственно в той части, где кислорода больше. Причем, на каждый недостающий атом кислорода записывают два иона ОН-.

5

Составление уравнения реакции между  сульфитом натрия и перманганатом калия в щелочной среде.

Na2SO3 + KMnO4 + KOH = Na2SO4 + K2MnO4 + H2O

В  ионном виде  уравнение принимает вид:

SO32- + MnO4— + OH— = MnO2 + SO42- + H2O

В щелочной среде   окислитель MnO4— принимает 1 электрон и восстанавливается до MnО42-. Восстановитель SO32-— окисляется до SO42-, отдав 2 электрона.

Полуреакции  имеют следующий вид:

MnO4— + e— = MnО2                                            |2              окислитель, процесс восстановления

SO32- + 2OH—— 2e— = SO42- + H2O          |1              восстановитель, процесс окисления

Запишем ионное и молекулярное уравнения , учитывая коэффициенты при окислителе и восстановителе:

SO32- + 2MnO4— + 2OH— = 2MnО42- + SO42- + H2O

Na2SO3 + 2KMnO4 + H2O = 2K2MnO4 + 3Na2SO4 + 2KOH

5

Cr 2 O 3 + KNO 3 + KOH = K 2 CrO 4 + KNO 2 + …

вос. ок. среда

Решение.

3 | NO 3 - + H 2 O + 2e = NO 2 - + 2OH -

1 | Cr 2 O 3 + 10 OH - -6e = 2CrO 4 2- + 5H 2 O

3NO 3 - +3H 2 O+Cr 2 O 3 +10OH - =3NO 2 - +6OH - + 2CrO 4 2- + 5 H 2 O

Cr 2 O 3 + 3KNO 3 + 4 KOH = 2 K 2 CrO 4 + 3 KNO 2 + 2 H 2 O

Cr 2 O 3 - восстановитель, окисляется;

KNO 3 - окислитель, восстанавливается.

5

Реакции, протекающие в нейтральной среде.

Правило: если реакция протекает в нейтральной среде, следует оперировать только  молекулами воды. Причем избыток кислорода в окислителе связывается молекулами воды, за счёт ионов Н 3 О+ (Н+), на каждый избыточный атом  кислорода расходуется одна молекула воды, которая ставится в левую  часть уравнения полуреакции, в растворе накапливаются ОН- - ионы и ставятся они в правую часть уравнения полуреакции. Недостаток кислорода восстановитель восполняет из молекул воды за счет ОН- - ионов, на каждый недостающий атом кислорода расходуется одна молекула воды, которая ставится в левую часть уравнения полуреакции, в растворе накапливаются ионы Н 3 О+ (Н+) и ставятся они в правую часть уравнения полуреакции.

5

Пример 1

• KMnO 4 + Na 2 SO 3 + H 2 O = MnO 2 + Na 2 SO 4 + …
• ок. вос.
• Решение .
• 2 | MnO 4 - + 2H 2 O +3e = MnO 2 + 4 OH -
• 3 | SO 3 2- + H 2 O -2e = SO 4 2- + 2 H +

2 MnO 4 - +4H 2 O+3SO 3 2- +3H 2 O=2MnO 2 +8OH - + 6H + + 3SO 4 2-

• 2KMnO 4 +3Na 2 SO 3 + H 2 O = 2 MnO 2 + 3 Na 2 SO 4 + 2 KOH

КMnО 4 –окислитель, вос-ся; Nа 2 SО 3 –восстановитель, окис-ся  

5

Пример 2

MnSO 4 + KMnO 4 + H 2 O = MnO 2 + K 2 SO 4 + …

вос. ок. среда

Решение.

2 | MnO 4 - + 2 H 2 O + 3e = MnO 2 + 4 OH -

3 | Mn 2+ + 2 H 2 O - 2e = MnO 2 + 4 H +

2MnO 4 - +4H 2 O+3Mn 2+ +6H 2 O=2MnO 2 +8OH - +3MnO 2 +12H +

3MnSO 4 +2KMnO 4 +2H 2 O=5MnO 2 +K 2 SO 4 +2H 2 SO 4

MnSO 4 - восстановитель, окисляется;

KMnO 4 – окислитель, восстанавливается.

5