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:
SO2Внутримолекулярные – окислитель и восстановитель входят в состав одной молекулы, например:
2KCl +
3O2Диспропорционирования – окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же элемента в одинаковых степенях окисления.
Например: 5KCl
+ KClO3 + 3H2OРасстановка 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
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.
N0 В ходе реакции элемент азот окисляется и, следовательно, отдает электроны. Для того, чтобы выполнялся закон сохранения заряда, один азот должен отдать три электрона:
N0 С учетом того, что в правой части схемы записана молекула азота, удваиваем все коэффициенты:
N20 В левой части кислород имеет степень окисления 0, в правой -2, т. е. понижает свою степень окисления и в данной реакции является окислителелем:
О-2 Для этого атому кислорода необходимы два электрона:
О-2 С учeтом того, что в реакции участвует молекулярный кислород, окончательно для кислорода получим:
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:
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:
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):
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:
Mn2+ - число атомов марганца слева и справа одинаково. Уравниваем кислород. Учитывая, что среда кислая, запишем 4 кислорода в правую часть в виде молекул воды:
Mn2+ +
4Н2О Уравняем водород. Справа 8 атомов водорода, поэтому прибавим в левую часть 8 ионов Н+:
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):
Mn2+ + 4Н2О
Первая полуреакция готова. Переходим ко второй. В соответствии с правилами ИЮПАК, полуреакции всегда записываются от Ох к Red-форме, поэтому исходная схема:
Cl- Уравниваем хлор:
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:
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:
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:
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:
Примеры расстановки
коэффициентов в ОВР
Пример 1
Схема реакции:
O2 + MnSO4 + K2SO4 +
H2OИонная схема реакции:
O2, Mn2+,
SO42-,K+, H2O
Схемы превращений:
Mn2+
O2Из 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:
Сокращаем ионы водорода:
и переносим коэффициенты в молекулярное уравнение:
Пример 2
Схема реакции:
Cr2(SO4)3 + O2 +
H2O + K2SO4Ионная схема реакции:
O2, Cr3+,
SO42-,K+, H2O
Схемы превращений:
O2
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:
2Cr3+ + 8H2O
+ 3O2 + 6H+Сокращаем ионы водорода:
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:
Пример 3
Схема реакции:
K2CrO4 +
KCl + H2OИонная схема реакции:
K+,
CrO42-, K+, Cl-,
H2OСхемы превращений:
CrO42-Cl-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:
6Cl-
+ 2CrO42- + 4H2Oи переносим коэффициенты в молекулярное уравнение:
Пример 4
Схема реакции:
S + MnO2 + KOH +
NaOHИонная схема реакции:
S + MnO2 + К+
+ ОН- + Na+ +
ОН-Схемы превращений:
S MnO2Из 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:
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: