- •І. Програма курсу
- •Тема 1. Основні поняття хімії
- •Тема 2. Будова атомів. Періодичний закон і періодична система д.І. Менделєєва
- •Тема 3. Хімічний зв’язок і будова молекул. Твердий стан речовин
- •Тема 4. Елементи хімічної термодинаміки
- •Тема 5. Хімічна кінетика та хімічна рівновага
- •Тема 6. Загальні властивості розчинів. Розчини електролітів
- •Тема 7. Окисно-відновні реакції
- •Тема 8. Електрохімічні процеси
- •Тема 9. Хімічні властивості металів
- •Іі. Контрольні задачі Загальні вказівки
- •1. Основні поняття хімії Короткі теоретичні відомості
- •2. Будова атомів. Періодичний закон та періодична система хімічних елементів д.І. Менделєєва Короткі теоретичні відомості
- •3. Хімічний зв’язок і будова молекул Короткі теоретичні відомості
- •4. Елементи хімічної термодинаміки Короткі теоретичні відомості
- •5. Хімічна кінетика та хімічна рівновага Короткі теоретичні відомості
- •6. Розчини. Способи вираження концентрацій. Фізичні властивості розведених розчинів неелектролітів Короткі теоретичні відомості
- •7. Розчини електролітів. Електролітична дисоціація сильних і слабких електролітів. Закон роЗбавляння. Водневий показник Короткі теоретичні відомості
- •8. Реакції обміну в розчинах електролітів. Іонно-молекулярні рівняння хімічних реакцій Короткі теоретичні відомості
- •9. Окисно-відновні реакції. Хімічні властивості металів Короткі теоретичні відомості
- •10. Електрохімічні процеси. Гальванічні елементи Короткі теоретичні відомості
- •11. Електрохімічна корозія металів і сплавів Короткі теоретичні відомості
- •12. Електроліз Короткі теоретичні відомості
- •Кількісні розрахунки електролізу треба виконувати згідно з законом Фарадея:
- •Ііі. Лабораторні роботи Лабораторна робота №1 Класи неорганічних сполук
- •Ознакою перебігу хімічної реакції є утворення або розчинення осаду.
- •Лабораторна робота №2 Теплові ефекти процесів
- •Порядок виконання роботи
- •Обробка результатів
- •Лабораторна робота №3 Хімічна кінетика
- •Лабораторна робота №4 Розчини електролітів
- •1. Одержання та дослідження особливостей слабких електролітів
- •2. Визначення рН контрольного розчину електроліту
- •Лабораторна робота №5 Електрохімічні процеси
- •1. Мідно-цинковий гальванічний елемент
- •2. Контактна корозія
- •3. Електроліз
- •Лабораторна робота №6 Окисно-відновні реакції
- •1. Окисні властивості сульфатної кислоти.
- •2. Окисні властивості іонів металу.
- •3. Окисно-відновна двоїстість пероксиду гідрогену
- •IV. Додатки
- •Список рекомендованої літератури
9. Окисно-відновні реакції. Хімічні властивості металів Короткі теоретичні відомості
При вивченні цього розділу курсу необхідно добре розуміти основні поняття. Так, окисник – це атом, що приймає електрони у процесі реакції. При цьому ступінь окиснення його зменшується і він відновлюється, перетворюючись у продукт відновлення. Наприклад,
.
Відновник – це атом, що віддає електрони в процесі реакції. Ступінь окиснення атома при цьому збільшується і атом окислюється, перетворюючись у продукт окиснення. Наприклад,
.
Атоми хімічних елементів, що знаходяться у максимальному ступені окиснення, можуть бути тільки окисниками:
….
Атоми хімічних елементів, що знаходяться у мінімальному ступені окиснення, можуть бути тільки відновниками:
, , , , , ,….
Атоми елементів, що знаходяться у проміжному ступені окиснення, в залежності від умов можуть грати дві ролі – як окисника, так і відновника:
, , , ,.…
Коефіцієнти у рівняннях окисно-відновних реакцій проставляють на основі методу електронного балансу: кількість відданих і прийнятих електронів у процесі реакції має бути однаковою.
Приклад. Розрахуйте ступені окиснення елементів у реакції
K2Cr2O7 + H2S + H2SO4 S + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O.
Знайдіть атоми окисника та відновника у формулах відповідних речовин. На основі методу електронного балансу розставте коефіцієнти у цій реакції.
Розв’язання. 1. Визначаємо ступені окиснення всіх елементів у рівнянні. Незмінні значення ступеня окиснення мають Гідроген (), Оксиген (), Калій (). Заряд сульфат-аніона SOдорівнює 2. Ступінь окиснення Сульфуру в H2SO4 та її солях Cr2(SO4)3 і K2SO4 дорівнює +6 і не змінюється у ході реакції. Відзначимо, що ступінь окиснення елемента у простій речовині дорівнює нулю. У наведеному прикладі це − у правій частині рівняння. Розраховуємо ступінь окиснення Хрому та Сульфуру у вихідних речовинах і продуктах реакції, знаючи, що сума ступенів окиснення всіх елементів у молекулі дорівнює нулю:
Для K2Cr2O7: Для Cr2(SO4)3:
2(+1) + 2х + 7(2) = 0 2х + 3(2) = 0
х = +6; тобто Cr+6 x = +3; тобто Cr+3
Для S: Для H2S:
x = 0; тобто S0 2(+1) + х = 0;
х = 2; тобто S2.
2. Записуємо елементи, що змінюють ступені окиснення внаслідок перебігу реакції, а також напівреакції окиснення та відновлення:
S2 2е = S0; 3;
2Cr+6 + 6е = 2Cr+3; 1.
Таким чином, S2 відновник, і він окиснюється; Cr+6 окисник, і він відновлюється. Взагалі, електронні напівреакції окиснення та відновлення необхідні при розставленні коефіцієнтів методом електронного балансу.
3. Для того, щоб кількості відданих та прийнятих електронів були рівними, множимо першу напівреакцію на 3, а другу – на 1 (див. пункт 2). Це основні коефіцієнти, які ставимо у рівняння перед вихідними речовинами (1K2Cr2O7 і 3H2S) та продуктами реакції (1Cr2(SO4)3 і 3S).
4. Зрівнюємо кількості катіонів металів (Калію) у відповідних речовинах: 1K2Cr2O7 зліва і 1K2SO4 справа (одиницю зазвичай не пишуть).
5. Зрівнюємо кількості аніонів кислотних залишків (сульфат-іонів): у правій частині маємо чотири іони SO, тому перед Н2SO4 зліва також ставимо 4.
6. У передостанню чергу зрівнюємо кількості катіонів Гідрогену: в лівій частині рівняння маємо 14Н+ (3H2S і 4Н2SO4), тому в правій частині перед H2O ставимо 7.
7. В останню чергу перераховуємо кількості атомів Оксигену. В обох частинах рівняння їх по 23. Рівність кількостей цих атомів (їх спеціально не зрівнювали) означає, що коефіцієнти розставлено вірно:
K2Cr2O7 + 3H2S + 4H2SO4 = 3S + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O.
Якщо у хімічні реакції вступають метали, вони завжди є відновниками і окислюються. Атомом-окисником у реакціях з водою, розчинами лугів і кислотами-неокисниками (HCl, H2SO4(розв.), H3PO4, CH3COOH тощо) виступає катіон Гідрогену Н+:
Ме0 ze = Mez+
2Н+ + 2e = H2.
Продукт відновлення у цьому випадку газоподібний водень, продукти окиснення – гідроксиди металів, гідроксокомплекси або солі металів. При реакціях металів з водними розчинами кислот-окисників, таких, як H2SO4(конц.), НNO3(конц.), НNO3(розв.), потрібно пам’ятати, що атомами-окисниками у цих випадках виступають атоми кислотоутворюючих елементів та Продуктами окиснення виступають зазвичай солі металів. Склад продуктів відновлення залежить від активності металів (див. ряд стандартних електродних потенціалів металів, додаток, табл.4). Так, дуже активні метали (Li – Mg) відновлюють концентровану сульфатну кислоту до Н2S; активні (Ве – Cr) – до S; малоактивні (Fe – Hg) – до SO2. Подібним чином діє розведена нітратна кислота. Відповідними продуктами відновлення HNO3(розв.) будуть: NН3 (точніше NH4NO3) або N2 (для Li – Mg); N2O (для Ве – Cr); NO (для Fe – Hg). Концентрована нітратна кислота незалежно від активності металу відновлюється з утворенням NO2.
Задачі
а). Визначивши ступені окиснення елементів, укажіть окисник і відновник. Методом електронного балансу розставте коефіцієнти в окисно-відновній реакції.
б). Напишіть рівняння взаємодії наведених в умові металів з водою та водними розчинами кислот, лугів, солей. Розставте коефіцієнти методом електронного балансу.
1. а) KMnO4 + SnCl2 + HCl MnCl2 + SnCl4 + KCl + H2O
б) Mg, Cu з H2SO4 (розв.), H2SO4 (конц.)
2. а) KMnO4 + H2S + H2SO4 MnSO4 + S + K2SO4 + H2O
б) Hg, Al з NaOH, HNO3 (розв.)
3. а) K2Cr2O7 + HI + H2SO4 Cr2(SO4)3 + I2 + H2O
б) Zn, Fe з H2SO4 (розв.), HNO3 (розв.)
4. а) Na3[Cr(OH)6] + H2O2 Na2CrO4 + H2O + NaOH
б) Ag, Ca з H2SO4 (конц.), HNO3 (конц.)
5. а) KMnO4 + Na2SO3 + H2O MnO2 + Na2SO4 + KOH
б) Be, Cd з FeSO4, KOH, HNO3 (розв.)
6. а) K2Cr2O7 + Zn + H2SO4 Cr2(SO4)3 + ZnSO4 + K2SO4 + H2O
б) Ba, Ni з H2O (t), H2SO4 (розв.), H2SO4 (конц.) (t)
7. а) KMnO4 + KI + H2SO4 MnSO4 + I2 + K2SO4 + H2O
б) Pb, Cr з NaOH, HNO3 (розв.)
8. а) Na2CrO4 + Na2S + H2O Na[Cr(OH)4(H2O)2] + S + NaOH
б) Hg, Ca з H2SO4 (конц.), HNO3 (конц.)
9. а) K2Cr2O7 + Na2SO3 + H2SO4 Cr2(SO4)3 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O
б) Al, Co з HCl, HNO3 (розв.)
10. а) KMnO4 + KBr + H2SO4 MnSO4 + Br2 + K2SO4 + H2O
б) Mg, Sn з Ni(NO3)2, H2SO4 (конц.), NaOH
11. а) KMnO4 + NH3 + KOH K2MnO4 + KNO3 + H2O
б) Mn, Cu з H2SO4 (розв.), HNO3 (розв.)
12. а) KMnO4 + FeCl2 + HCl MnCl2 + FeCl3 + KCl + H2O
б) K, Ti з H2O, H2SO4 (конц.), HNO3 (розв.)
13. а) K2Cr2O7 + HCl CrCl3 + Cl2 + KCl + H2O
б) Ag, Zn з CuSO4, H2SO4 (конц.), KOH
14. а) KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 MnSO4 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
б) Sn, Be з HNO3 (конц.), HNO3 (розв.)
15. а) KMnO4 + NaNO2 + H2O MnO2 + NaNO3 + KOH
б) Fe, Ca з H2O (t), H2SO4 (розв.), H2SO4 (конц.) (t)
16. а) K2Cr2O7 + SnCl2 + HCl CrCl3 + SnCl4 + KCl + H2O
б) Cu, Al з KOH, H2SO4 (розв.), H2SO4 (конц.) (t)
17. а) KI + KNO2 + H2SO4 I2 + N2 + K2SO4 + H2O
б) Mn, Hg з HNO3 (конц.), HNO3 (розв.)
18. а) KMnO4 + H2O2 + H2SO4 MnSO4 + O2 +K2SO4 + H2O
б) Pb, Ba з CdSO4, HCl, HNO3 (розв.)
19. а) CrCl3 + Br2 + KOH K2CrO4 + KBr + KCl + H2O
б) Na, Co з H2O, HCl (конц.), H2SO4 (конц.) (t)
20. а) NaBrO3 + NaBr + H2SO4 Br2 + Na2SO4 + H2O
б) Cr, Ni з Co(NO3)2, KOH, HNO3 (розв.)
21. а) KClO3 + FeSO4 + H2SO4 KCl + Fe2(SO4)3 + H2O
б) Ca, Sn з ZnSO4, KOH, HNO3 (розв.)
22. а) KClO4 + Al + H2SO4 KCl + Al2(SO4)3 + H2O
б) Fe, Be з NaOH, HNO3 (розв.), H2SO4 (конц.) (t)
23. а) AsH3 + AgNO3 + H2O H3AsO4 + Ag + HNO3
б) Pb, Zn з H2SO4 (конц.), HNO3 (конц.), CoSO4
24. а) (NH4)2SO4 + HNO3 N2 + H2SO4 + H2O
б) Mg, Ag з CuCl2, H2SO4 (розв.), HNO3 (розв.)
25. а) MnO2 + KClO3 + KOH K2MnO4 + KCl + H2O
б) Ni, Cr з KOH, H2SO4 (розв.), H2SO4 (конц.)