Тема10 Степень окисления. Окислительно-восстановительные реакции

Степень окисления – формальный заряд атома в молекуле или ионе при условии, что молекула нейтральна, а ион имеет соответствующий заряд.

При определении степени окисления следует помнить:

1. заряд молекулы равен 0;

2. заряд иона можно определить по таблице растворимости;

3. заряд катиона в молекуле соли можно определить по заряду аниона и наоборот;

4. в простом веществе степень окисления элемента равна нулю, Н₂⁰, N₂ степень окисления водорода в сложных соединениях равна +1, Н⁺¹, исключение – гидриды металлов, Na⁺¹H^–1;

5. степень окисления кислорода в сложных соединениях обычно равна -2;

исключение: перекиси – степень окисления кислорода -1, Н₂⁺¹О₂^–1;

и фторид кислорода (неправильное название оксид фтора) – степень окисления кислорода +2, O⁺²F₂^–1;

6. валентность и степень окисления элемента могут не совпадать: так, в органических соединениях углерод образует 4 связи, его валентность равна 4, а степень окисления в метане С^-4Н₄, метаноле С^-2Н_зОН, в формальдегиде Н₂С⁰О, в муравьиной кислоте НС⁺²О₂Н, в углекислом газе С⁺⁴О₂;

7. степень окисления элементов с постоянной степенью окисления находят по таблице, она совпадает с номером группы в таблице Менделеева;

Пример 1

Определите степень окисления железа в его солях FeSО₄ и Fe₂(SО₄)₃

Решение

По таблице растворимости заряд сульфат-иона равен -2.

Степень окисления катиона железа (элемент с переменной степенью окисления) определим из формулы:

Z_{катиона}*n_{катиона} = – (Z_аниона*n_аниона) , где

Z_{катиона} = Z_Fe – степень окисления катиона железа

Z_аниона = –2 – степень окисления аниона (сульфат-аниона)

n_{катиона} и n_анион - индекс при катионе и анионе в формуле соли,

Таблица 7

Характерные степени окисления элементов

Элемент	Название	Степень окисления	Элемент	Название	Степень окисления
89Ас	Актиний	0, + III	25Mn	Марганец	0, +II, IV, VI, VIII
47Ag	Серебро	0, +I	42Mo	Молибден	0 , +IV, VI
13Al	Алюминий	0, +III	7N	Азот	-III, 0, +I, II, III, IV, V
95Am	Америций	0, + II , III, IV	11Na	Натрий	0, +I
18Ar	Аргон	0	41Nb	Ниобий	0, +IV, V
33As	Мышьяк	0, - III , 0 , +III, V	60Nd	Неодим	0, +III
85At	Астат	-I, 0, +I, V	10Ne	Неон	0
79Au	Золото	0, + I , III	28Ni	Никель	0, +II, III
5B	Бор	-III, 0, +III	93Np	Нептуний	0, +III, IV, VI, VII
56Ba	Барий	0, +II	8OO	Кислород	-II, I, 0, +II
4Be	Бериллий	0,+ IV	76Os	Осмий	0, +IV, VI, VIII
83Bi	Висмут	0, +III, V	15P	Фосфор	-III, 0, +I, III, V
97Bk	Берклий	0, +III, IV	91Pa.	Протактиний	0, +IV, V
35Br	Бром	-I, 0, +I, V, VII	82РЬ	Свинец	0, +II, IV
6C	Углерод	-IV, I, 0, +II, IV	46Pd	Палладий	0, +II, IV
20Ca	Кальций	0, + II	61Pm	Прометий	0, + III
48Cd	Кадмий	0, + II	84Рo	Полоний	0, +II, IV
58Ce	Церий	0, + III , IV	59Рг	Празеодим	0, +III, IV
98Cf	Калифорний	0, +Ш, IV	78Pt	Платина	0, +II, IV
17Cl	Хлор	-I, 0, +I, III, IV, V, VI, VII	94PU	Плутоний	0, +III, IV, V, VI
96Cm	Кюрий	0, +III, IV	88Ra	Радий	0, + II
27Co	Кобальт	0, +II, III	37Rb	Рубидий	0, +I
24Cr	Хром	0, + II , III , VI	75Re	Рений	0, +IV, VII
55Cs	Цезий	0, +I	45Rh	Родий	0, +III, IV
29Cu	Медь	0, +I, -II	86Rn	Радон	0, + II , IV, VI, VIII
105Db	Дубний	0, +V	44Ru	Рутений	0, +II, IV, VI, VIII
66Dy	Диспрозий	0, + III	16S	Сера	-II, 0, +IV, VI
68Еr	Эрбий	0, +III	51Sb	Сурьма	0, +III, V
99ES	Эйнштейний	0, +II, III	21Sc	Скандий	0, +III
63Еu	Европий	0, +II, III	34Se	Селен	-II, 0,+IV, VI
9F	Фтор	-I, 0	106Sg	Сиборгий	0, +VI
26Fe	Железо	0, +II, III, VI	14Si	Кремний	-IV, 0, +11, IV
87Fr	Франций	0, +I	62Sm	Самарий	0, + II , III
31Ga	Галлий	0, +III	50Sn	Олово	0, + II , IV
64Gd	Гадолиний	0, +III	38Sr	Стронций	0, + II
32Ge	Германий	0, +II, IV	73Ta	Тантал	0, +IV, V
1H	Водород	-I, 0, +I	65Tb	Тербий	0, +III, IV
2He	Гелий	0	43Tc	Технеций	0, +IV, VII
72Hf	Гафний	0,+IV	52Te	Теллур	-II, 0, +IV, VI
80Hg	Ртуть	0 , +III	90Th	Торий	0, +IV
67Ho	Гольмий	0, + III	22Ti	Титан	0, + II , III, IV
53I	Йод	-I, 0, +I, V, VII	81Тl	Таллий	0, + I , II
49In	Индий	0 , + III	69Tm	Тулий	0 , +III
77Ir	Иридий	0, +III, IV	92U	Уран	0, +III, IV, VI
19К	Калий	0, +I	23V	Ванадий	0, + II , III, IV, V
36Кr	Криптон	0, + II	74W	Вольфрам	0, +IV, VI
57La	Лантан	0, +III	54Xe	Ксенон	0, + II , IV, VI, VIII
3Li	Литий	0, +I	39Y	Иттрий	0, +III
71Lu	Лютеций	0, +III	70Yb	Иттербий	0, + II , III
101Md	Менделеевий	0, +II, III	30Zn	Цинк	0, + II
12Mg	Магний	0, + II	40Zr	Цирконий	0, +IV

В молекуле FeSО₄

n_{катиона} = n_аниона = 1,

Z_Fe *1 = –(–2)*1; Z_Fe =+2, степень окисления Fe⁺².

В молекуле Fe₂(SО₄)₃

Z_аниона = –2 – степень окисления сульфат-аниона

n_{катиона} = 2, n_{катиона} = 3,

Z_Fe *2 = –(–2)*3; Z_Fe = +3; степень окисления Fe ⁺³.

Пример 2

Определите степень окисления серы в а) молекуле серной кислоты и

б) в сульфат ионе.

Решение

Определяют заряд частицы (молекула или ион).

а) Серная кислота – молекула, заряд равен 0, [Н₂SO₄]⁰.

Приписывают элементам степени окисления и составляют уравнение

[Н₂⁺¹S^XO₄^–2]⁰ Х_Н*n_Н + Х_S*n_S + Х_O*n_O = 0,

где Х_Н, Х_S, Х_O – степени окисления элементов в молекуле,

n_Н, n_S, n_O – индексы при элементах в формуле молекулы

n_Н =2, n_S =1, n_O =4,

Х_Н =+1, Х_O = –2.

Х_S –степень окисления серы (элемент с переменной степенью окисления) вычисляют по уравнению:

(+1) * 2+ X_S*1 + (–2) *4 = 0

X_S = +6, S⁺⁶

б) Сульфат – ион, заряд (по таблице растворимости) равен –2:

[S^XO₄^–2] ^–2 Х_Н*n_Н + Х_S*n_S + Х_O*n_O = 0,

n_S =1, n_O =4, Х_O = –2 ,

Х_S –степень окисления серы вычисляют по уравнению:

X_S *1 + (–2) *4 = –2

X_S = +6, S⁺⁶

Пример 3 Определите степень окисления марганца в молекулах а) перманганата калия КMnO₄ и б) манганата калия К₂MnO₄.

Решение

Определяем заряд аниона по формуле примера 1.

а) в молекуле КMnO₄:

Z_{катиона}*n_{катиона} = – (Z_аниона*n_аниона),

Z_{катиона} = Z_калия = +1,

n_{катиона} = n_аниона= 1

(+1)*1= –Z_аниона* 1,

Z_аниона = –1, MnO₄^–1

Записываем степени окисления элементов в ионе и составляем уравнение, как в примере 2:

(Mn^ХO₄^–2)^–1 Х_Mn*n_Mn + Х_O*n_O = –1,

n_Mn =1, n_O =4,

Х_O = –2 ,

X_Mn *1+ (–2) *4 = –1

X_Mn = +7 Mn⁺⁷

б) в молекуле К₂MnO₄

Z_{катиона}*n_{катиона} = – (Z_аниона*n_аниона),

Z_{катиона} = Z_калия = +1,

n_{катиона} = n_аниона= 1

(+1)*2= –Z_аниона* 1,

Z_аниона = –2, MnO₄^–1

Записываем степени окисления элементов в ионе и составляем уравнение, как в примере 2:

(Mn^ХO₄^–2)^–2 Х_Mn*n_Mn + Х_O*n_O = –2,

n_Mn =1, n_O =4, Х_O = –2 ,

X_Mn *1+ (–2) *4 = –2

X_Mn = +6 Mn⁺⁶

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – реакции, протекающие с изменением степени окисления химических элементов.

Окисление – это потеря электронов атомом, ионом или молекулой.

Восстановление – присоединение электронов.

Окисление и восстановление – взаимосвязанные процессы: если одна частица окисляется, то другая восстанавливается.

Окислитель – атомы, ионы или молекулы, принимающие электроны,

Восстановитель – частицы, отдающие электроны.

ОВР подразделяется на 3 типа:

1. межмолекулярные – изменяются степени окисления атомов разных частиц:

2Са⁰ +О₂⁰ = 2Са⁺²О^-2

2. внутримолекулярные – изменяются степени окисления атомов, в составе одной частицы:

Zr⁺⁴I₄ = Zr⁰ + I₂⁰

3. диспропорционирования (самоокисления–восстановления), повышение и понижение степени окисления атомов одного и того же элемента

Для подбора коэффициентов в уравнениях ОВР исходят из правила, что число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем.

Для уравнивания используют метод электронного баланса:

1. записывают схему реакции:

NO+О₂ = NO₂

2. находят пары атомов, изменяющих степень окисления и определяют их функцию:

N₂⁰+О₂⁰ = N⁺⁴O₂^–2

N₂ – восстановитель

О₂ – окислитель

3. составляют уравнения полуреакций окисления и восстановления атомов, как показано ниже, подбирают множители для уравнения числа отданных и принятых электронов, умножают члены уравнений на подобранные множители, складывают уравнения, убеждаются в балансе электронов (число принятых равно числу принятых) и переносят найденные коэффициенты в схему уравнения.

N+ – 4е = N+4	2		полуреакция (процесс) окисления
O0 + 2е = O–2	4		полуреакция процесс восстановления

2N+ – 8е = 2N+4	2		полуреакция (процесс) окисления
4O0 + 8е = 4O–2	4		полуреакция процесс восстановления

2N⁺ – 8е +4O⁰ + 8е = 2N⁺⁴ + 4O^–2 баланс электронов

N₂+2О₂ = 2NO₂ уравнение

При составлении уравнений ОВР, протекающих в водных растворах, используют электронно-ионный метод:

1. Записывают схему реакции и определяют функцию каждого реагента:

FeSO₄+KMnO₄^–+H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+K₂SO₄+MnSO₄^–2+H₂O

2. Записывают схему реакции в ионном виде

Fe⁺²+SO₄^–2+K⁺+MnO₄^–+H⁺+SO₄^–2=Fe⁺³+SO₄^–2+K⁺+SO₄^–2+Mn⁺²+SO₄^–2+H₂O

3. Выписывают из схемы ионы и молекулы, в состав которых входят элементы, изменяющие степень окисления и ионы, указывающие на среду реакции:

Fe⁺²+ MnO₄^– + H⁺= Fe⁺³+Mn⁺² +H₂O

4. Определяют их функцию в реакции:

MnO₄^–– окислитель,

Fe⁺²– восстановитель,

H⁺ – кислая среда.

5. Составляют электронно-ионные уравнения полуреакций восстановления и окисления, используя для уравнивания ионы Н⁺ и молекулы Н₂О.

При протекании реакции в щелочной среде – используют OН^– и Н₂О,

в нейтральной среде – в левой части уравнений используют только Н₂О.

При подборе коэффициентов следят за балансом зарядов.

Fe⁺² – 1e = Fe⁺³ |5

MnO₄^– + 8H⁺ + 5е = Mn⁺² + 4H₂O |1

6. Умножают члены полуреакций на найденные коэффициенты, складывают полууравнения, убеждаются в балансе электронов.

5Fe⁺² – 5e = 5Fe⁺³ |5

MnO₄^– + 8H⁺ + 5е = Mn⁺² + 4H₂O |1

5Fe⁺² – 5e + MnO₄^– + 8H⁺ + 5е = 5Fe⁺³ + Mn⁺² + 4H₂O

7. Добавляют к ионам противоионы, не принимающие участия в окислении-восстановлении, до образования молекул:

5Fe⁺² – 5e + MnO₄^– + 8H⁺ + 5е = 5Fe⁺³ + Mn⁺² + 4H₂O

5SO₄^–2 K⁺ 4SO₄^–2 7,5 SO₄^–2 SO₄^–2

8. Уравнивают добавленные ионы (выделены жирным шрифтом)

9. 5Fe⁺² – 5e + MnO₄^– + 8H⁺ + 5е = 5Fe⁺³ + Mn⁺² + 4H₂O

5SO₄^–2 K⁺ 4SO₄^–2 7,5 SO₄^–2 SO₄^–2 + K⁺ + 0,5 SO₄^–2

10. Записывают суммарное ионное уравнение (в данном случае коэффициенты пришлось удвоить, чтобы избавиться от дробных коэффициентов.

10 Fe⁺²+10 SO₄^–2+2 K⁺+2 MnO₄^–+16 H⁺+8 SO₄^–2 = 10 Fe⁺³ +15 SO₄^–2+ 2 Mn⁺² + 2 SO₄^–2 + 8 H₂O + 2 K⁺ + SO₄^–2

11. Записывают молекулярное уравнение

10 FeSO₄+ 2 KMnO₄^–+8 H₂SO₄=5 Fe₂(SO₄)₃+K₂SO₄+2 MnSO₄^–2+8 H₂O

В зависимости от среды характер протекания реакции между одними и теми же реагентами будут меняться. Например, КМn_O4 в разных средах будет восстанавливаться по разному: в кислой среде до Mn⁺² , в слабокислой и нейтральной и слабощелочной до MnO₂, в сильнощелочной до Мn_O4^2-. Это объясняется тем, что в кислой среде ионы H⁺ проникают в анионы Мn_O4^-, вызывая ослабления связи между марганцем и кислородом и облегчают действие восстановления. В нейтральной среде деформация аниона Мn_O4^-меньше, т.к. поляризующее действие молекул воды меньше, чем ионов H⁺ В присутствие гидроксид-ионов, наоборот, связь Mn – O упрочняется.

Задание 10 контрольной работы

Для окислительно-восстановительной реакции составьте полуреакции окисления и восстановления; укажите окислитель и восстановитель; составьте сокращенное ионное и полное молекулярное уравнения ионно-электронным методом или электронным методом.

Номер задания	Реакция
301	H2O2 + KMnO4+ H2SO4 → MnSO4 + K2SO4 + O2 + H2O
302	NaNO2 + NaI + H2SO4 → NO + I2 + Na2SO4 + H2O
303	NaI + H2SO4 + MnO2 → NaHSO4 + H2O + I2 + MnSO4
304	MnSO4 + S + K2SO4 + H2O → KMnO4 + H2S + H2SO4
305	K2SO4 + Cr2(SO4)3 + Fe2(SO4)3 + H2O → K2Cr2O7 + H2SO4 + FeSO4
306	KCl + Fe2(SO4)3 + H2O → KClO3 + FeSO4 + H2SO4
307	FeCl3 + MnCl2 + KCl + H2O → FeCl2 + KMnO4 + HCl
308	K2SO4 + Cr2(SO4)3 + H2O → K2Cr2O7 + H2SO4 + SO2
309	K2Cr2O7 + H2S+ H2SO4 → Cr2(SO4)3 + S + K2SO4 + H2O
310	K2SO4 + I2 + NO2 + H2O → KI + HNO3 + H2SO4
311	Fe2(SO4)3 + NO + H2O → FeSO4 + HNO3 + H2SO4
312	MnSO4 + Br2 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O → KMnO4 + NaBr + H2SO4
313	HMnO4 + Pb(NO3)2 + H2O → PbO2 + Mn(NO3)2 + HNO3
314	KCl + NaCl + H2O+ CO2 → KClO3 + Na2C2O4 + HCl
315	Na2C2O4 +KMnO4 +H2SO4 → MnSO4 +K2SO4 +Na2SO4 + H2O +CO2
316	K2MnO4 + O2 +H2O → KMnO4 + H2O2 + KOH
317	MnCl2 + Cl2 + KCl + H2O → KMnO4 + HCl
318	HNO2 + KMnO4 + H2SO4 → HNO3 + MnSO4 + K2SO4 + H2O
319	PbSO4 + ZnSO4 + H2O → PbO2 + H2SO4 + Zn
320	Al2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 K2SO4 + H2O → Al + K2Cr2O7 + H2SO4
321	K2CrO4 + KBr + H2O + KCl → CrCl3 + Br + KOH
322	Na2SO4 + I2 + K2SO4 + H2O → Na2SO3 + KIO3 + H2SO4
323	Na2SO4 + Ag + NaNO3 + H2O → Na2SO3 + AgNO3 + NaOH
324	KI + KNO2 + H2SO4 → I2 + NO + K2SO4 + H2O
325	CO2 + MnSO4 + H2O → H2C2O4 + MnO2 + H2SO4
326	H2O2 + PbO2 + CH3COOH → O2 + Pb(CH3COO)2 +H2O
327	Ti(SO4)2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O → Ti2(SO4)3 + KMnO4 + H2SO4
328	KBr + MnO2 + KCl + H2O → KBrO + MnCl2 + KOH
329	MnSO4 + NaHSO4 + H2O + Cl2 → MnO2 + NaCl + H2SO4
330	K2Cr2O7 + KI + H2SO4 → Cr2(SO4)3 + I2 + K2SO4 + H2O