Общая химия

 Главная   Общая  Неорганическая  Органическая  Физическая  Поиск реакции 

Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительными называются рекции, сопровождающиеся изменением степеней окисления элементов.

Элемент, в ходе реакции понижающий свою степень окисления, называется окислителем. Окислителем называется также частица (молекула или ион), в состав которой входит элемент-окислитель. В окислительно-восстановительной реакции окислитель восстанавливается.

Элемент, в ходе реакции повышающий свою степень окисления, называется восстановителем. Восстановителем называется также частица (молекула или ион), в состав которой входит элемент-восстановитель. В окислительно-восстановительной реакции восстановитель окисляется.

Окислительно-восстановительный процесс заключается в переходе электронов от восстановителя к окислителю.

В зависимости от местонахождения окислителя и восстановителя эти реакции делятся на:

Межмолекулярные – окислитель и восстановитель находятся в разных молекулах, например:

S + O2 SO2

Внутримолекулярные – окислитель и восстановитель входят в состав одной молекулы, например:

2KClO3 2KCl + 3O2

Диспропорционирования – окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же элемента в одинаковых степенях окисления.

Например:
3Cl2 + 6KOH 5KCl + KClO3 + 3H2O

Расстановка коэффициентов в ОВР. Электронный баланс

Для расстановки коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций используют два основных метода – электронный баланс и ионно-электронный метод (метод полуреакций).

Электронный баланс основан на схематической записи изменения степеней окисления окислителя и восстановителя по отдельности и уравнивания числа переданных электронов. Например, для реакции описываемой схемой

NH3 + O2 N2 + H 2O

сначала определяем элементы, меняющие свои степени окисления. В левой у азота степень окисления -3, в правой – 0. Азот повышает свою степень окисления и является восстановителем.

N-3 N0

В ходе реакции элемент азот окисляется и, следовательно, отдает электроны. Для того, чтобы выполнялся закон сохранения заряда, один азот должен отдать три электрона:

N-3 - 3е N0

С учетом того, что в правой части схемы записана молекула азота, удваиваем все коэффициенты:

2N-3 - 6е N20

В левой части кислород имеет степень окисления 0, в правой -2, т. е. понижает свою степень окисления и в данной реакции является окислителелем:

О0 О-2

Для этого атому кислорода необходимы два электрона:

О0 + 2е О-2

С учeтом того, что в реакции участвует молекулярный кислород, окончательно для кислорода получим:

О20 + 4е 2O-2

Запишем процессы окисления и восстановления в одну схему:

Число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых окислителем, поэтому домножаем обе полуреакции на коэффициенты, которые доводят число электронов в каждом процессе до наименьшего общего кратного. Этот коэффициент для первой полуреакции равен 2, для второй - 3, при этом число электронов в обоих полуреакциях будет по 12:

Из полученной схемы следует, что в левой части должно быть 4 атома азота в степени окисления -3, следовательно у аммиака коэффициент равен 4, в правой части будет две молекулы азота. В левой части коэффициент у молекулярного кислорода равен 3, в правой части должно быть 6 атомов кислорода в степени окисления -2. Получаем уравнение:

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O

Проверяем число атомов водорода в обеих частях - в левой 12 и в правой 12.

Метод электронного баланса применяется для составления уравнений окислительно восстановительных реакций, протекающих в газовой или твердой фазе, если реакция протекает в растворе или расплаве с участием электролитов, то используется метод электронно-ионного баланса (метод полуреакций).

Метод полуреакций

Метод полуреакций использует не условные степени окисления атомов, а реально существующие окислители и восстановители в виде частиц, в состав которых входят элементы, изменяющие свои степени окисления в ходе реакции. В методе полуреакций составляют ионные уравнения для восстановления окислителя и окисления восстановителя с последующим суммированием полученных полуреакций в общее ионное уравнение. Следует учитывать, что каждая окислительно-восстановительная реакция может быть использована для получения электрического тока, если ее проводить в гальваническом элементе. В любой окислительно-восcтановительной реакции и для окислителя и для восстановителя существуют окисленные - Ox- и восстановленные - Red-формы. Основными признаками Ox-формы являются:

1. большее число атомов кислорода

2. меньшее число атомов водорода

3. больший (в алгебраическом смысле) заряд.

Например, из двух ионов NO3- и NO2 Ox-формой будет NO3- , т.к. этот ион содержит большее число атомов кислорода (соответственно Red-формой будет NO2 ); из NH3 и N2 Ox-формой является N2, т.к. в нем меньше водорода; из Fe и Fe2+ Ox-форма - Fe2+ т.к. имеет больший заряд.

Рассмотрим метод полуреакций на примере. Пусть дана схема реакции:

KMnO4+ HCl KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O

Учитывая правила записи ионных уравнений запишем ионы и молекулы в левой и правой частях схемы (число ионов, обусловленное стехиометрией диссоциации электролита, не учитываем):

Левая часть               Правая часть
K+, MnО4-, H+, Cl- K+, Cl-, Mn2+, Cl2, H2O

Обратим внимание на следующие изменения: MnО4- превратился Mn2+, Cl- в Cl2. Запишем схемы превращений:

Определим окисленные и восстановленные формы: для первой схемы Ох-форма MnО4-, а Mn2+ Red-форма; для второй схемы Ox-форма Cl2, Red-форма - Cl-:

Окислителем является тот участник процесса, который в ходе реакции перешел из Ox-формы в Red-форму.

Окислителем является тот участник процесса, который в ходе реакции перешел из Ox-формы в Red-форму. В нашем примере это марганец. Переходим к составлению полуреакций, при этом надо учесть, что первой всегда записывается полуреакция с участием окислителя.

Для перехода от схемы превращения к полуреакции необходимо проделать следующие действия:

1. Уравнять число атомов элемента

2. Уравнять число атомов кислорода

3. Уравнять число атомов водорода

4. Уравнять заряды. Алгебраическая сумма зарядов в левой части полуреакции должна быть равна алгебраической сумме зарядов правой части.

Первая полуреакция:

MnО4- Mn2+

- число атомов марганца слева и справа одинаково. Уравниваем кислород. Учитывая, что среда кислая, запишем 4 кислорода в правую часть в виде молекул воды:

MnО4- Mn2+ + 4Н2О

Уравняем водород. Справа 8 атомов водорода, поэтому прибавим в левую часть 8 ионов Н+:

MnО4- + 8Н+ Mn2+ + 4Н2О

Суммарный заряд частиц левой части полуреакции +7 ( -1 + 8 = +7), в правой +2, поэтому прибавляем в левую часть 5 электронов (+7 – 5 = +2):

MnО4- +5е + 8Н+ Mn2+ + 4Н2О

Первая полуреакция готова. Переходим ко второй. В соответствии с правилами ИЮПАК, полуреакции всегда записываются от Ох к Red-форме, поэтому исходная схема:

Cl2 Cl-

Уравниваем хлор:

Cl2 2Cl-

Т.к. кислорода и водорода нет, сразу переходим к заряду. В левой части 0, в правой -2, поэтому прибавляем в левую часть 2 электрона:

Cl2 + 2е 2Cl-

Объединяем полуреакции в общую схему:

Уравниваем число электронов в обеих полуреакциях, домножая до наименьшего общего кратного:

Складываем полученные полуреакции, домножая каждую на свой коэффициент, крест-накрест, т.е. левую часть первой с правой частью второй и правую часть первой с левой частью второй:

Полученное суммарное уравнение - не что иное, как сокращенное ионное уравнение данной окислительно-восстановительной реакции.Коэффициенты из него переносим в исходную схему:

2KMnO4+ HCl KCl +2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O

Коэффициент у HCl должен быть 16, т.к. при диссоциации HCl образуется один ион водорода и один ион хлора, поэтому их вариантов 10 -число хлорид ионов в левой части ионного уравнения и 16 - число ионов водорода - выбираем максимальный - 16. Остается неопределенным коэффициент у KCl. Его ставим по числу ионов калия в левой части - слева 2, значит и справа -2:

2KMnO4+ 16HCl 2KCl +2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O

Проверяем в полученном уравнении кислород - справа и слева, затем все остальные элементы. Следует помнить, что равенство числа атомов кислорода справа и слевасовсем не означае, что все коэффициенты расставлены правильно, поэтому не следует пренебрегать проверкой всех остальных атомов. Итак, окончательно:

2KMnO4+ 16HCl = 2KCl +2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O

Примеры расстановки коэффициентов в ОВР

Пример 1

Схема реакции:

KMnO4 + H2O2 + H2SO4 O2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O

Ионная схема реакции:

K+, MnO4-, H2O2, H+,SO42- O2, Mn2+, SO42-,K+, H2O

Схемы превращений:

MnO4- Mn2+
H2O2 O2

Из Ох в Red форму в ходе реакции переходит марганец, следовательно он - окислитель и полуреакцию с его участием записываем первой:

2 MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O

5 O2 + 2H+ + 2e = H2O2

Складываем крест-накрест:

2MnO4- + 16H+ + 5H2O2 = 2Mn2+ + 8H2O + 5О2 + 10H+

Сокращаем ионы водорода:

2MnO4- + 6H+ + 5H2O2 = 2Mn2+ + 8H2O + 5О2

и переносим коэффициенты в молекулярное уравнение:

2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = 5O2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O


Пример 2

Схема реакции:

H2O2 + K2CrO4 + H2SO4 Cr2(SO4)3 + O2 + H2O + K2SO4

Ионная схема реакции:

H2O2, K+, CrO42-, H+,SO42- O2, Cr3+, SO42-,K+, H2O

Схемы превращений:

H2O2 O2
CrO42- Cr3+

Из Ох в Red форму в ходе реакции переходит хром, следовательно он - окислитель, полуреакцию с его участием записываем первой:

2 CrO42- + 8H+ + 3е Cr3+ + 4H2O

3 O2 + 2H+ + 2e = H2O2

Складываем крест-накрест:

2CrO42- + 16H+ + 3H2O2 2Cr3+ + 8H2O + 3O2 + 6H+

Сокращаем ионы водорода:

2CrO42- + 10H+ + 3H2O2 2Cr3+ + 8H2O + 3O2

и переносим коэффициенты в молекулярное уравнение, учитывая, что Cr2(SO4)3 содержит два иона хрома, а коэффициент у сульфата калия получаем по числу ионов калия - слева их четыре:

3H2O2 + 2K2CrO4 + 5H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3O2 + 8H2O + 2K2SO4


Пример 3

Схема реакции:

KCrO2 + Cl2 + KOH K2CrO4 + KCl + H2O

Ионная схема реакции:

K+, CrO2-, Cl2, K+, ОН- K+, CrO42-, K+, Cl-, H2O

Схемы превращений:

CrO2- CrO42-
Cl2Cl-

Из Ох в Red форму в ходе реакции переходит хлор, следовательно он - окислитель, полуреакцию с его участием записываем первой, для второй полуреакции учитываем, что среда щелочная и атомы кислорода связываются молекулами воды в ионы гидроксила:

3Cl2 + 2e = 2Cl-

2 CrO42- + 2H2O + 3e = CrO2- + 4ОН-

Складываем крест-накрест:

3Cl2 + 2CrO2- + 8ОН- 6Cl- + 2CrO42- + 4H2O

и переносим коэффициенты в молекулярное уравнение:

2KCrO2 + 3Cl2 + 8KOH = 2K2CrO4 + 6KCl + 4H2O


Пример 4

Схема реакции:

Na2S + KMnO4 + H2O S + MnO2 + KOH + NaOH

Ионная схема реакции:

Na+ + S2- + К+ + MnO4- + H2O S + MnO2 + К+ + ОН- + Na+ + ОН-

Схемы превращений:

S2- S
MnO4- MnO2

Из Ох в Red форму в ходе реакции переходит марганец, следовательно он - окислитель, полуреакцию с его участием записываем первой:

2MnO4- + 2H2O + 3e = MnO2 + 4ОН-

3 S + 2e = S2-

Складываем крест-накрест:

MnO4- + 4H2O + 3S2- = 2MnO2 + 8ОН- + 3S

и переносим коэффициенты в молекулярное уравнение. При этом учитываем, что ионы гидроксила входят как в КОН, так и в NaOH, поэтому коэффициент перед КОН ставим по ионам калия, перед NaOH - по ионам натрия, количество гидроксилов после этого проверяем:

3Na2S + 2KMnO4 + 4H2O = 3S + 2MnO2 + 2KOH + 6NaOH


    © Короленко М.В., 2009-2016                      *7657*18*43*

          Индекс цитирования          Эта страница помогла? Покажите ее друзьям!