УМК. ОВР. Электролиз.

Тема: «Окислительно – восстановительные реакции.

Электрохимические процессы»

Межпредметные связи. Биология. Тема: «ОВР в природе: фотосинтез, хемосинтез. Энергетический обмен»

Методы: словесный, наглядный, проблемно-поисковый, контроль знаний.

Обеспечение занятия.

Наглядные пособия: таблица «Периодическая таблица».

Раздаточный материал: дидактические карточки, тестовые задания.

Оборудование: учебник, компьютер, мультимедиапрезентации, видеоролики.

Литератур основная:

1. О. Е. Саенко. Химия для колледжей: учебник .Ростов на Дону: Феникс, 2008

1. О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов. Химия: учебник для студентов сред. Проф. Учебных заведений. М.: «Академия», 2011.

Литература дополнительная:

1. Н.Е. Кузьменко , В.В.Еремин, В.А. Попков Химия. Для школьников старших классов и поступающих в вузы: Учебное пособие. М.: Дрофа, 2010.

2. С.А.Пузаков , В.А.Попков. Пособие по химии для поступающих в вузы. М.:, Высшая школа, 2011.

Распределение занятий по темам:

1.8.1. Окислительно-восстановительные реакции.

1.8.2. Электролиз.

1.8.3. Практическая работа № 4. Составление уравнений ОВР.

1.8.4. Практическая работа № 5. Составление схем электролиза. Решение расчётных задач на электролиз.

Содержание программы

Окислительно-восстановительные реакции. Степень окисления. Восстановители и окислители. Окисление и восстановление. Важнейшие окислители и восстановители. Восстановительные свойства металлов – простых веществ. Окислительные и восстановительные свойства неметаллов – простых веществ. Восстановительные свойства веществ, образованных элементами в низшей (отрицательной) степени окисления. Окислительные свойства веществ, образованных элементами в высшей (положительной) степени окисления. Окислительные и восстановительные свойства веществ, образованных элементами в промежуточных степенях окисления.

Классификация окислительно-восстановительных реакций. Реакции межатомного и межмолекулярного окисления-восстановления. Реакции внутримолекулярного окисления-восстановления. Реакции самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования).

Методы составления уравнений окислительно-восстановительных реакций. Метод электронного баланса. Влияние среды на протекание окислительно-восстановительных процессов.

Электролиз расплавов и водных растворов электролитов. Процессы, происходящие на катоде и аноде. Уравнения электрохимических процессов. Электролиз водных растворов с инертными электродами. Электролиз водных растворов с растворимыми электродами. Практическое применение электролиза.

Демонстрации. Восстановление дихромата калия цинком. Восстановление оксида меди(II) углем и водородом. Восстановление дихромата калия этиловым спиртом. Окислительные свойства азотной кислоты. Окислительные свойства дихромата калия. Электролиз раствора хлорида меди(II).

Самостоятельная работа:

Аудиторная форма работы:

• отработка навыков составления конспекта;

• работа с учебником;

• решения задач, тестов.

Внеаудиторная форма работы:

• работа с конспектом лекций и текстом учебника;

• работа с дополнительной литературой;

• решение задач и тестов, работа по карточкам;

• подготовка сообщения на тему: «Реакция среды в биологических жидкостях», «Окислительные процессы в организме человека»

Занятие №1

Тема: Окислительно – восстановительные реакции

Окружающий нас мир – это гигантская химическая лаборатория, в которой ежесекундно протекают тысячи реакций, в основном – окислительно-восстановительные, и пока они существуют, эти реакции, пока есть условия для их протекания, возможно и все окружающее нас великолепие, возможна сама жизнь.

Тема нашего сегодняшнего занятия:

Кто – то теряет, а кто-то находит (окислительно – восстановительные реакции).

Реакции, в которых происходит изменение степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих соединений называются окислительно - восстановительными.

2Mg⁰ + O₂⁰  2Mg⁺²O^-2

2KCl⁺⁵O₃^-2  –^t 2KCl^-1 + 3O₂⁰­

2KI^-1 + Cl₂⁰  2KCl^-1 + I₂⁰

Mn⁺⁴O₂ + 4HCl^-1  Mn⁺²Cl₂ + Cl₂⁰­ + 2H₂O

Окисление, восстановление

В окислительно-восстановительных реакциях электроны от одних атомов, молекул или ионов переходят к другим. Процесс отдачи электронов - окисление. При окислении степень окисления повышается:

H₂⁰ - 2ē  2H⁺

S^-2 - 2ē  S⁰

Al⁰ - 3ē  Al⁺³

Fe⁺² - ē  Fe⁺³

Процесс присоединения электронов - восстановление: При восстановлении степень окисления понижается.

Mn⁺⁴ + 2ē  Mn⁺²

S⁰ + 2ē  S^-2

Cr⁺⁶ +3ē  Cr⁺³

O₂⁰ + 4ē  2O^-2

Атомы или ионы, которые в данной реакции присоединяют электроны являются окислителями, а которые отдают электроны - восстановителями.

Окислительно-восстановительные свойства вещества и степени окисления входящих в него атомов

Соединения, содержащие атомы элементов с максимальной степенью окисления, могут быть только окислителями за счет этих атомов, т.к. они уже отдали все свои валентные электроны и способны только принимать электроны. Максимальная степень окисления атома элемента равна номеру группы в периодической таблице, к которой относится данный элемент. Соединения, содержащие атомы элементов с минимальной степенью окисления могут служить только восстановителями, поскольку они способны лишь отдавать электроны, потому, что внешний энергетический уровень у таких атомов завершен восемью электронами. Минимальная степень окисления у атомов металлов равна 0, для неметаллов - (n–8) (где n- номер группы в периодической системе). Соединения, содержащие атомы элементов с промежуточной степенью окисления, могут быть и окислителями и восстановителями, в зависимости от партнера, с которым взаимодействуют и от условий реакции.

Важнейшие восстановители и окислители

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

   Электронный баланс - метод нахождения коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций, в котором рассматривается обмен электронами между атомами элементов, изменяющих свою степень окисления. Число электронов, отданное восстановителем равно числу электронов, получаемых окислителем.

Уравнение составляется в несколько стадий:

1.      Записывают схему реакции.

KMnO₄ + HCl  KCl + MnCl₂ + Cl₂­ + H₂O

2.      Проставляют степени окисления над знаками элементов, которые меняются.

KMn⁺⁷O₄ + HCl^-1  KCl + Mn⁺²Cl₂ + Cl₂⁰­ + H₂O

3.      Выделяют элементы, изменяющие степени окисления и определяют число электронов, приобретенных окислителем и отдаваемых восстановителем.

Mn⁺⁷ + 5ē  Mn⁺²

2Cl^-1 - 2ē  Cl₂⁰

4.      Уравнивают число приобретенных и отдаваемых электронов, устанавливая тем самым коэффициенты для соединений, в которых присутствуют элементы, изменяющие степень окисления.

––––––––––––––––––––––––

2Mn⁺⁷ + 10Cl^-1  2Mn⁺² + 5Cl₂⁰

5.      Подбирают коэффициенты для всех остальных участников реакции.

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

Классификация окислительно-восстановительных реакций

1. Межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции

Окислитель и восстановитель находятся в разных веществах; обмен электронами в этих реакциях происходит между различными атомами или молекулами:

S⁰ + O₂⁰  S⁺⁴O₂^-2

S - восстановитель; O₂ - окислитель

Cu⁺²O + C⁺²O  Cu⁰ + C⁺⁴O₂

CO - восстановитель; CuO - окислитель

Zn⁰ + 2HCl  Zn⁺²Cl₂ + H₂⁰­

Zn - восстановитель; HСl - окислитель

Mn⁺⁴O₂ + 2KI^-1 + 2H₂SO₄    I₂⁰ + K₂SO₄ + Mn⁺²SO₄ + 2H₂O

KI - восстановитель; MnO₂ - окислитель.

Сюда же относятся реакции между веществами, в которых атомы одного и того же элемента имеют разные степени окисления

2H₂S^-2 + H₂S⁺⁴O₃  3S⁰ + 3H₂O

1. Внутримолекулярные окислительно- восстановительные реакции

Во внутримолекулярных реакциях окислитель и восстановитель находятся в одной и той же молекуле. Внутримолекулярные реакции протекают, как правило, притермическом разложении веществ, содержащих окислитель и восстановитель.

2KCl⁺⁵O₃^-2  2KCl^-1 + 3O₂⁰­

Cl⁺⁵ - окислитель; О^-2 - восстановитель

N^-3H₄N⁺⁵O₃  ^t N₂⁺¹O­ + 2H₂O

N⁺⁵ - окислитель; N^-3 - восстановитель

2Pb(N⁺⁵O₃^-2)₂  2PbO + 4N⁺⁴O₂ + O₂⁰­

N⁺⁵ - окислитель; O^-2 - восстановитель

(N^-3H₄)₂Cr₂⁺⁶O₇ ^t Cr₂⁺³O₃ + N₂⁰­ + 4H₂O

Cr⁺⁶ - окислитель; N^-3 - восстановитель.

1. Диспропорционирование 

Окислительно-восстановительная реакция, в которой один элемент одновременно повышает и понижает степень окисления.

Cl₂⁰ + 2KOH  KCl⁺¹O + KCl^-1 + H₂O

3K₂Mn⁺⁶O₄ + 2H₂O  2KMn⁺⁷O₄ + Mn⁺⁴O₂ + 4KOH

3HN⁺³O₂  HN⁺⁵O₃ + 2N⁺²O­ + H₂O

2N⁺⁴O₂ + 2KOH  KN⁺⁵O₃ + KN⁺³O₂ + H₂O

Значение ОВР

Всем известны семь чудес света. Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе «семи чудес живой и неживой природы»

Фотосинтез, дыхание, гниение, брожение, коррозия, электролиз, горение.

Беседа с учащимися о значении фотосинтеза и его роли в природе

Первый крик ребенка, порождает первый вдох, начало новой жизни. Дыхание характерно для большинства живых организмов, оно просто неотделимо от жизни.

Благодаря процессам гниения осуществляется круговороты веществ в природе. Гнилостные бактерии, переводя органическое вещество в неорганическое, как бы начинают круговорот жизни.

Брожение может осуществляться и под действием дрожжей, о значении которых знает каждый, достаточно остановиться на хлебопечении…

О вредном действии коррозии знают все, но нельзя и недооценивать ее значение, я остановлюсь только на одном факте. С глубокой древности известен способ превращения железа в сталь, через ржавление. Черкесы на Кавказе закапывали полосовое железо в землю, а, откопав его через 10-15 лет, выковывали из него свои сабли, которые могли перерубить даже ружейный ствол, щит врага. После выкапывания ржавое железо вместе с органическими веществами нагревали в горнах, ковали, а затем охлаждали водой – закаливали.

Золочение предметов известно с давних пор, так как позолоченные изделия очень красивы. Прежде, когда электролиз и гальванотехника не были изобретены, изделия из металлов золотили так: на них наносили тестообразную амальгаму золота (сплав его с ртутью); затем накаливали докрасна; при этом ртуть испарялась, а золото оставалось. Но пары ртути очень ядовиты, так, например, при золочении куполов Исаакиевского собора в Петербурге от отравления ртутью погибло 60 рабочих.

Очень трудно было нашим предкам, тем, кто отвечал за сохранность и поддержание огня всего племени, и тем, кто только, только научился его добывать. С огнем связано очень много: это и тепло родного очага, успокаивающее пламя свечи, приготовление пищи, песни у костра… но с огнем шутить нельзя, необходимо осторожно и бережно обращаться с ним, потому что его сила не только созидающая, но и разрушающая, способная погубить все живое.

Закрепление имеющихся знаний учащихся, расширение и формирование новых.

1. Блиц-опрос:

1. . Какие реакции называются окислительно-восстановительными?

ОВР это реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ.

1. . Окислительно-восстановительная реакция представлена схемой

1. ZnO + HCL  ZnCl₂ + H₂O

2. C₂H₄ + Br₂  C₂H₄Br₂

3. NaHCO₃  Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

1. . Дайте определение степени окисления атома.

Степень окисления – это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (и ионные и ковалентно - полярные) состоят только из ионов.

1. . На чем основан метод электронного баланса?

Этот метод основан на сравнении степени окисления атомов в исходных веществах и продуктах реакции.

1. . Как называются атомы, молекулы и ионы, которые отдают электроны?

Атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны называются восстановителями. Во время реакции они окисляются

1. . От чего зависят восстановительные свойства?

Чем ниже степень окисления элемента, чем меньше его электроотрицательность, тем сильнее восстановительные свойства.

1. . Как называются атомы, молекулы и ионы, которые присоединяют электроны?

Атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны называются окислителями. Во время реакции они восстанавливаются

1.8. От чего зависят окислительные свойства?

Чем выше степень окисления элемента и больше его электроотрицательность, тем сильнее окислительные свойства.

2. Экспресс-опрос

2.1. К восстановителям относятся: Al, Cl₂, HBr, O₃, KMnO₄,

2.2. К окислителям относятся: H₂ SO₄, O₂, H₂, Mg, K₂MnO₄

2.3. И окислительными и восстановительными свойствами могут обладать:

CO, NaNO₃, HNO₂, Cu₂O, H₂SO₃

2.4. Более сильными окислителями являются:

1. HNO₃ или HNO₂ ?

2. S или SO₂ ?

3. Cu, Cu₂O или СuO ?

Занятие №2. Электролиз.

Объяснение нового материала

  Электролиз –окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах под действием электрического тока. При пропускании электрического тока через растворы или расплавы электролитов, положительно заряженные ионы (катионы) перемещаются в направлении катода, отрицательно заряженные (анионы) – анода. На катоде происходит восстановление (приём электронов), на аноде – окисление (отдача электронов).

 Электролиз расплавов солей

            э.т.           

2NaCl  →  2Na + Cl₂

Схема процессов, происходящих на катоде и аноде:

Проблема: Какие продукты получаться при электролизе раствора хлорида натрия?

В отличие от расплава в растворе солей присутствуют и  молекулы воды.

Рассмотрим процесс электролиза раствора хлорида натрия:

Какое явление происходит в растворе хлорида натрия под действием воды?

Диссоциация соли хлорида натрия на катионы натрия и анионы хлора.

NaCl  →  Na+ + Cl-

Составим схему процессов, происходящих на катоде и аноде: 

В данном случае, необходимо выбрать приоритетное вещество, то которое первым будет окисляться и восстанавливаться. Для этого существует правила, позволяющие выполнить эти действия.

Правило разрядки на катоде:

а) Если металл находится в электрохимическом ряду напряжения металлов  до алюминия (включительно), то на катоде первой восстанавливается вода:

    2H₂O + 2ē = H₂↑ +  2OH^-, металл остается в виде иона.

б) Если металл находится в электрохимическом ряду напряжения металлов  между алюминием и водородом, то на катоде восстанавливается металл и вода.

Ме+n + n ē = Me0,

2H₂O + 2ē = H₂↑ +  2OH^-

в) Если металл находится в электрохимическом ряду напряжения металлов  после водорода, то на катоде восстанавливается сам металл.

Ме+n + n ē = Me0

Рассмотрим наш пример: на катоде находится ион натрия (расположен в ряду активности до алюминия) и вода. Согласно правилу разрядки на катоде восстанавливается вода:    

2H2O + 2ē = H2↑ +  2OH-

Ион натрия остается в растворе.

Правила разрядки на аноде:

Процесс на аноде зависит от материалов анода  и от природы аниона. Если анод растворяется (железо, цинк, медь, серебро и т.д.),  то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона.

Если анод не растворяется (инертный), то:

а) Первыми на аноде окисляются бескислородные остатки кислот (I- , Br- , Cl-  и т.д.)

Cl- - 1ē = Cl0, Сl2↑;

б) Затем вода   (2H2O - 4ē = О2↑ +  4H+);

в) Следующие по очереди кислородсодержащие кислотные остатки и фторид-ион.

Рассмотрим наш пример: на аноде находятся ионы хлора и вода. Согласно правилу разрядки на аноде первой будет окисляться вода: 2H₂O - 4ē = О₂↑ +  4H⁺.

Анион хлора останется в растворе.

Подведем итог: в результате электролиза раствора хлорида натрия на катоде образуется газообразный водород, на аноде – газообразный кислород, в растворе находятся ионы: катионы натрия и анионы хлора.

Суммарное уравнение реакции: (схема демонстрируется на интерактивной доске):

                           э.т.           

2NaCl  + 2H₂O  →  Н₂ ↑ + Cl₂ ↑ +2NaOH

Области применения электролиза.

Просмотрим видеофрагмент  «Получение металлов. Применение электролиза».

Задание для студентов: просмотрев фрагмент, записать основные области применения электролиза.

Применение электролиза.

1. Электролиз используется для получения многих активных металлов и неметаллов, щелочей и некоторых солей.

 2. Электролизом пользуются в гальванопластике для покрытия изделий другим металлом: никелем, цинком, оловом, хромом, золотом и др.

3. С помощью электролиза получают сложные неорганические и органические соединения.

4. Электролиз используют для очистки некоторых металлов от примесей (рафинирование металлов).

 Вопросы к лекции.

? Как называется электрод, имеющий положительный заряд?  (анод)

? Как называется электрод, имеющий отрицательный заряд?  (катод)

? Чем отличается расплав соли от раствора? (в расплаве происходит диссоциация соли под действием высокой температуры, а в растворе диссоциация солей под действием воды).

? Что произойдет с ионами соли при помещении в ее расплав электродов, подсоединенных к источнику тока?

? Как записать этот процесс с помощью химических реакций?

Задания для закрепления, аналогичные заданиям части В (ЕГЭ)

Задание № 1: Установите соответствие  между формулой вещества и продуктом, который образуется на катоде в результате электролиза его раствора (для этого нужно во вторую колонку к вопросу передвинуть цифру, соответствующую правильному ответу:

 Сначала необходимо убрать заведомо неправильные ответы. Согласно правилам разрядки на катоде не могут выделяться кислород и оксид серы (IV). Затем, используя правила разрядки на катоде, выбираем правильные ответы.

Четыре человека последовательно рассматривают каждый случай, пишут схемы и выбирают правильный ответ:

А) CuSO4 – на катоде восстанавливается медь, т.к. этот металл находится в электрохимическом ряду напряжения металлов  после водорода, поэтому на катоде восстанавливается сам металл – медь. Ответ – 3.

Б) K2SO4 – на катоде восстанавливается вода до водорода, т.к. калий – металл, который находится в электрохимическом ряду напряжения металлов  до алюминия (включительно), поэтому  на катоде первой восстанавливается вода. Ответ – 1.

В) AgNO3 - на катоде восстанавливается серебро, т.к. этот металл находится в электрохимическом ряду напряжения металлов  после водорода, поэтому на катоде восстанавливается сам металл – серебро. Ответ – 2

Г) CuBr2, на катоде восстанавливается медь, т.к. этот металл находится в электрохимическом ряду напряжения металлов  после водорода, поэтому на катоде восстанавливается сам металл – медь. Ответ – 3.

Запись на доске:

Задание № 2.  Установите соответствие  между формулой вещества и продуктом, который образуется на аноде в результате электролиза его раствора:

А) CuSO4 – на аноде, согласно правилу, первой будет окисляться вода до кислорода.

Ответ – 5.

Б) KCl -  на аноде первым будет окисляться хлорид-ион до хлора. Ответ - 3

В) AgF – на аноде первой будет окисляться вода до кислорода. Ответ – 5.

Г) CuBr2 – на аноде первым будет окисляться бромид-ион до брома. Ответ – 2.

На доске появляются правильные ответы: