Урок - лекция "Окислительно-восстановительные реакции"

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР)

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

  Mn +4 O 2  + 4HCl - = Mn +2 Cl 2  + Cl 2 0  + 2H 2 O

      Степень окисления - это условный заряд атома в молекуле , вычисленный в предположении, что молекула состоит из ионов и в целом электронейтральна.

        Степень окисления - это тот электрический заряд, который возник бы на атоме, если бы электронные пары, которыми он связан с другими атомами в соединении, перешли к более электроотрицательным атомам, а электронные пары, принадлежащие одинаковым атомам, были бы между ними поделены.

        Степень окисления - это формальный заряд атома. Слово «формальный» означает, что этого заряда у атома в действительности может и не быть, вернее, он может оказаться немного другим. Однако по разным причинам эти условные заряды удобны и химики всего мира пользуются понятием  «степень окисления» .

      Наиболее электроотрицательные элементы в соединении имеют отрицательные степени окисления, а атомы элементов с меньшей электроотрицательностью - положительные.

      Степень окисления может иметь отрицательное, положительное и нулевое значение, обозначают знаком "-", "+" и ставят над символом элемента.

        Для вычисления степеней окисления элемента следует учитывать следующее:

1. Степени окисленя атомов в простых веществах равны нулю.

2. Сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав молекулы, всегда равна нулю, а в сложном ионе равна заряду иона.

3. Постоянную степень окисления в соединениях имеют атомы:

щелочных металлов "+1", щёлочно-земельных металлов "+2", водорода "+1" (кроме гидридов металлов NaH "-1"), кислорода "-2" (кроме оксида фтора  F 2 O "+2",  пероксидов  Na 2 O 2  "-1").

      В окислительно-восстановительных реакциях электроны от одних атомов, молекул или ионов переходят к другим.

      Процесс отдачи электронов  - окисление. При окислении степень окисления повышается.

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

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

  Восстановители - атомы металлов, атомы неметаллов (при взаимодействии с более активными окислителями), некоторые сложные вещества, содержащие атомы элементов в низших или промежуточных степенях окисления.

          Окислители -  атомы неметаллов, сложные вещества, содержащие атомы элементов в высших или промежуточных степенях окисления.

    Окислительно-восстановительные реакции — это процесс «перетекания» электронов от одних атомов к другим. В результате происходит окисление или восстановление химических элементов, входящих в состав реагентов.

    Количество химических элементов в обеих частях уравнения должно быть одинаковым , так как реакция происходит с определённым числом реагентов, которые самопроизвольно не исчезают.

      Для того, чтобы  правильно расставить коэффициенты , нужно следовать алгоритму:

1) записать степени окисления для каждого вещества (для соединений считается сумма степеней оксиления их элементов);

2) выяснить, какие элементы приняли или потеряли электроны и в каком количестве (для этого можно отдельно выписать электронный баланс для каждого из них);

3) расставить коэффициенты перед веществами так, чтобы количество отданных электронов равнялось количеству принятых электронов.

        Как определить степень окисления

1. Степень окисления элементарного вещества, то есть вещества «одиночного», вне соединения, равна нулю.​

2. Степень окисления соединения складывается из степеней окисления его элементов и равна нулю. Ионы металлов могут иметь несколько степеней окисления  в зависимости от окружающих элементов.​

        У металла степень окисления всегда положительная и равна номеру его группы в таблице Менделеева (исключения есть, но их немного).​  

  Степень окисления неметалла может быть отрицательной (например, в соединении с металлом) и положительной. Высшая отрицательная степень окисления неметалла равна номеру группы минус восемь, высшая положительная — номеру группы.

1) Определите степени окисления элементов в следующих веществах:

КМnO 4 , Na 2 SO 4 , Na 2 CO 3 , K 2 CrO 4 , K 2 Cr 2 O 7

2) Определите степени окисления элементов в ионах:

PF 4 + , DF 4 - , P 2 O 7 4- , SCl 2 2+

        Метод электронного баланса - метод нахождения коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакциий, в котором рассматривается обмен электронами между атомами элементов, изменяющих свою степень окисления.

      Число электронов, отданное всеми атомами восстановителя, должно равняться числу электронов, принятых всеми атомами окислителя.

      Алгоритм уравнивания :

1. записать схему реакции;

2. вычислить степени окисленя элементов;

3. выделить элементы, которые изменяют степень окисления, и определить число электронов, присоединяемых окислителем и отдаваемых восстановителем, составить уравнение процессов окисления и восстановления;

4. уравнять число электронов принятых окислителем и отданных восстановителем, составить уравнение электронного баланса;

5.перенести коэфффициенты из уравнения электронного баланса в молекулярное уравнение с учетом числа атомов элементов, участвующих в процессе, и подобрать коэффициенты для всех остальных участников реакции.

Примеры составления уравнений ОВР методом электронного баланса

1. Составить уравнение реакции алюминия с углеродом.

Al + C → Al 4 C 3

В первую очередь, определяются элементы, меняющие свои степени окисления:

Al 0 + C 0  → Al 4 +3 C 3 -4

Атом алюминия в ходе реакции отдает 3 электрона, меняя свою степень окисления с 0 на +3:

Al 0 - 3e -  → Al +3

Атом углерода принимает 4 электрона, меняя свою степень окисления с 0 на -4:

C 0 +4e -  → C -4

Поскольку, число отданных и принятых электронов между атомами должно совпадать, следует сбалансировать уравнение, подобрав множители, для этого кол-во отданных алюминием электронов, записывают в схему реакции углерода, а кол-во электронов, принятых углеродом - в схему реакции алюминия:

Al 0 - 3e - → Al +3 | 4

C 0 + 4e - → C -4 | 3

В итоге, алюминий отдает 4·3=12 электронов, а углерод принимает 3·4=12 электронов.

Далее определяют коэффициенты, которые необходимо проставить перед формулами веществ, чтобы уравнять кол-во их атомов в левой и правой части уравнения;

Кол-во атомов алюминия, вступающих в реакцию: 4 Кол-во атомов углерода, вступающих в реакцию: 3 Окончательный вид уравнения: 4Al 0 +3C 0  = Al 4 +3 C 3 -4

        Определите степень окисления, укажите окислитель и восстановитель, составьте уравнение процессов окисления  и востановления.

1)    2NH 2 + 2Na = 2NaNH 2 + H 2

2)    H 2 S + 2Na = Na 2 S + H 2

3)    4NH 3 + 6NO = 5N 2 + 6H 2 O

4)    2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O

5)    2HI + 2FeCl 3 = I 2 + 2FeCl 2 + 2HCl

Классификация окислительно-восстановительных реакций

1). Межмолекулярные ОВР - в этих реакциях окислитель и восстановитель находятся в разных веществах.

2) Внутримолекулярные ОВР - окислитель и восстановитель находятся в одном веществе.

3) Реакции самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования) - ОВР, в которых атомы элемента, находящихся в одной степени окисления, одновременно и повышают и понижают степень окисления.

  Задания для самостоятельной работы

1. Составить уравнение окислительно-восстановительной реакции азотной кислоты с йодом (уравнение электронного баланса). Расставить коэффициенты в уравнении.

HNO 3 +I 2  → HIO 3 +NO+H 2 O

2. Составить уравнение окислительно-восстановительной реакции соляной кислоты (концентрированной) с оксидом марганца (IV) (уравнение электронного баланса). Расставить коэффициенты в уравнении.

HCl+MnO 2  → Cl 2 +MnCl 2 +H 2 O

3.  Составить уравнение окислительно-восстановительной реакции сероводорода с раствором калия перманганата в кислой среде. Расставить коэффициенты в уравнении.

H 2 S+KMnO 4 +H 2 SO 4  → S+MnSO 4 +K 2 SO 4 +H 2 O