Занятие 3. Окислительно-восстановительные реакции

Опыт 1. Взаимодействие алюминия с йодом.

Реактивы. Алюминиевая пыль Al, кристаллический йод I₂, дистиллированная вода, разбавленная (1:2) хлороводородная кислота HCl.

Посуда и приборы. Железная пластинка на треножнике или на кольце штатива, фарфоровая ступка, стеклянная пипетка, шпатель, капельница для раствора хлороводородной кислоты.

Описание опыта. Кристаллический йод растирают в ступке, смешивают с сухой алюминиевой пылью в объемном отношении 1:1, переносят полученную смесь на железную или асбестовую пластинку и укладывают ее небольшой горкой, на вершине которой делают ямку. В эту ямку пипеткой вносят 5-6 капель дистиллированной воды, которая активирует окислительно-восстановительную реакцию

2Al + 3I₂ = 2AlI₃

Взаимодействие сопровождается большим тепловыделением, так что наблюдается вспышка смеси и выделение фиолетовых паров йода.

Примечание. Если после добавления воды реакция не начинается слишком долго, это означает, что частицы алюминия при долгом хранении на воздухе покрылись пленкой оксида алюминия. В этом случае можно добиться начала реакции алюминия с йодом, вводя из капельницы 2-3 капли раствора хлороводородной кислоты.

Исторические сведения. Первым взаимодействие алюминия с иодом обнаружил в 1877 г. Российский химик Гавриил Гавриилович Густавсон (1843-1908).

Опыт 2. Взаимодействие дихромата калия с сульфидом натрия.

Реактивы. Разбавленная (5%-ная) серная кислота H₂SO_4, разбавленные (5%-ные) растворы дихромата калия K₂Cr₂O₇ и сульфида натрия Na₂S.

Посуда и приборы. Магнитная мешалка, химический стакан емкостью 400 мл, стеклянная палочка.

Описание опыта. Раствор дихромата калия наливают в химический стакан, ставят на магнитную мешалку, добавляют серную кислоту и включают перемешивание с умеренной скоростью. Затем, не прекращая перемешивания, небольшими порциями по палочке добавляют раствор сульфида натрия до изменения окраски раствора от оранжевой до зеленой. Одновременно раствор мутнеет от выделяющегося осадка серы:

K₂Cr₂O₇ + 3Na₂S + 7H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3S↓ + K₂SO₄ + 3Na₂SO₄ + 7H₂O

Примечание. В случае избытка раствора дихромата калия вместо серы образуется сульфат-анион в соответствии с уравнением реакции:

4K₂Cr₂O₇ + 3Na₂S + 16H₂SO₄ = 4Cr₂(SO₄)₃ + 4K₂SO₄ + 3Na₂SO₄ + 16H₂O

В этом случае помутнения раствора не наблюдается.

Исторические сведения. Окислительные свойства дихромата калия изучил в 1798 г. французский химик Луи Никола Воклен (1763-1829).

Опыт 3. Влияние кислотности среды на ход окислительно-восстановительной реакции.

Реактивы. Разбавленная (5%-ная) серная кислота H₂SO_4, разбавленные (5%-ные) растворы перманганата калия KMnO₄, сульфита натрия Na₂SO₃ и концентрированный (30%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH.

Посуда и приборы. Полилюкс, стеклянная чашка Петри (3 шт.), стеклянные палочки, капельницы для раствора гидроксида натрия и серной кислоты, белый экран.

Описание опыта. Включают полилюкс, помещают на световое окно стеклянную пластину размером 25×25 см и ставят на нее три чашки Петри. Регулируют резкость изображения чашек на экране и наливают в них тонким слоем раствор перманганата калия. В первую чашку вносят несколько миллилитров раствора кислоты, во вторую - раствора гидроксида натрия, в третью – дистиллированную воду, добиваясь, чтобы цвет изображений каждой чашки стал розово-фиолетовым. После этого по каплям добавляют в каждую из чашек в раствор сульфита натрия. В первой чашке (кислая среда) происходит обесцвечивание раствора:

2KMnO₄ + 5Na₂SO₃ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 2Na₂SO₄ + 3H₂O

Во второй чашке (в сильнощелочной среде) раствор приобретает зеленый цвет:

2KMnO₄ + Na₂SO₃ + 2NaOH = К₂MnO₄ + Na₂MnO₄ + Na₂SO₄ + H₂O

В третьей чашке раствор мутнеет из-за выделившегося осадка диоксида марганца:

2KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂O = 2MnO₂ + Na₂SO₄ + 2КОН

Примечание. Выделение осадка диоксида марганца может наблюдаться и во второй чашке: если ее долго держать на полилюксе, то раствор нагреется и произойдет реакция дисмутации манганат-ионов:

3MnO₄^2- + 2H₂O = MnO₂ + 2MnO₄^- + 4ОН^-

То же происходит при введении недостаточного количества щелочи.

Исторические сведения. Окислительные свойства перманганата калия в растворах разной кислотности исследовал в 1832 г. немецкий химик Эйльхард Мичерлих (1794-1863); ему же, вероятно, принадлежит и бытовавшее у химиков – практиков вплоть до начала XX в. название этой соли – «хамелеон».

Опыт 4. Влияние концентрации на окислительно-восстановительные процессы.

Реактивы. Медь Cu (стружка), концентрированная и разбавленная (1:5) азотная кислота HNO₃.

Посуда и приборы. Высокие химические стаканы или демонстрационные пробирки емкостью 200-400 мл (2 шт.), белый экран.

Описание опыта. В каждый из стаканов вносят одинаковые количества медной стружки и заливают на 2/3 емкости концентрированной и разбавленной азотной кислотой. В сосуде с концентрированной азотной кислотой начинается выделение бурого газа – диоксида азота, а раствор над медной стружкой приобретает голубой цвет:

Cu + 4HNO₃ (конц.) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

Взаимодействие меди с разбавленной азотной кислотой идет менее интенсивно чем с концентрированной, и в результате выделяется бесцветный монооксид азота:

3Cu + 8HNO₃ (разб) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

буреющий на воздухе из-за окисления до диоксида азота:

2NO + О₂ = 2NO₂

Таким образом, наблюдая взаимодействие азотной кислоты разной концентрации с медью, можно сделать вывод о том, что с ростом концентрации реагента увеличивается его окислительно-восстановительная способность. Кроме того, концентрация реагента оказывает влияние и на состав продуктов реакции.

Примечание. Следует учесть, что в результате взаимодействия азотной кислоты любой концентрации с восстановителями всегда образуется полный спектр продуктов восстановления HNO₃ – от диоксида и монооксида азота до оксида диазота, молекулярного азота и даже аммиака ( точнее, нитрата аммония). Однако, в уравнениях реакции принято указывать количественно преобладающие продукты восстановления: в случае концентрированной HNO₃ – диоксид азота, разбавленной – монооксид азота, очень разбавленной – нитрат аммония. Взаимодействие активных металлов (таких, как цинк, алюминий, магний) с разбавленной азотной кислотой дает оксид диазота N₂O.

Исторические сведения. Получение и свойства азотной кислоты впервые описал арабский врач и алхимик Джабир ибн Хайян (IX-X вв.).

Опыт 5. Термическое разложение перманганата калия.

Реактивы. Кристаллический перманганат калия KMnO₄.

Оборудование. Большая пробирка-реактор с пробкой и газоотводной трубкой, штатив с лапкой и муфтой, чашка с водой, химический стакан, пробирка для сбора газа, промывалка с водой, белый экран, газовая горелка или спиртовка, лучинки.

Описание опыта. В пробирку-реактор на 1/3 ее объема засыпают кристаллический перманганат калия, закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой и закрепляют в лапке штатива в горизонтальном положении. Газоотводную трубку погружают в чашу с водой. Прогревают содержимое пробирки слабым пламенем газовой горелки, добиваясь вытеснения воздуха выделяющимся кислородом, а после этого подводят газоотводную трубку под наполненную водой пробирку для сбора газа. При нагревании перманганат калия разлагается:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑

Между атомами марганца (VII) и кислорода (II) происходит обмен электронами (внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция). После этого, как пробирка для сбора газообразного кислорода будет наполнена, газоотводную трубку вынимают из воды и после этого прекращают нагревание. Для того чтобы показать наличие кислорода, вносят в пробирку с газом тлеющую лучинку, которая ярко вспыхивает. После того, как пробирка-реактор остынет (на это требуется 2-3 мин.), обрабатывают ее содержимое небольшим количеством воды из промывалки и выливают образовавшуюся суспензию в стакан. Отстоявшийся раствор имеет зеленый цвет, характерный для манганата (VI) калия. Диоксид марганца, образовавшийся в результате разложения перманганата калия, представляет собой буро-черный осадок.

Исторические сведения. Свойства перманганата калия изучил в 1832 г. немецкий химик Эйльхард Мичерлих (1794-1863).

Опыт 6. Дисмутация брома в щелочной среде.

Реактивы. Водный (10%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH, бромная вода Br₂(р), водный (10%-ный) раствор серной кислоты H₂SO₄.

Посуда и приборы. Полилюкс, капельница для раствора серной кислоты, чашка Петри (2 шт.), стеклянные палочки, белый экран.

Описание опыта. Включают полилюкс, помещают на световое окно стеклянную пластину размером 25×25 см и ставят на неё чашки Петри. Регулируют резкость изображения чашек на экране и наливают в них тонким слоем раствор гидроксида натрия. Затем в каждую из чашек небольшими порциями, по стеклянной палочке вносят бромную воду. Наблюдается обесцвечивание бромной воды в соответствии с реакцией дисмутации:

3Вr₂ + 6NaOH = 5NaBr + NaBrO₃ + 3H₂O

Затем в одну из чашек вносят из капельницы раствор серной кислоты и наблюдают на экране возникновение в исследуемом растворе областей, окрашенных в жёлтый цвет. Окраска возникает из - за проходящей в кислотной среде реакции конмутации бромид- и бромат-ионов с образованием брома:

5NaBr + NaBrO₃ + 3H₂SO₄ = 3Br₂ + 3NaSO₄ + 3H₂O

Исторические сведения. Бром впервые получил и исследовал в 1826 г. французский химик Антуан Жером Балар (1802-1876) . Современное название элемента – бром – предложил французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850).

Опыт 7 . Электрохимический ряд напряжений. Омеднение железа и цинка

Реактивы. Водный (20%-ный) раствор сульфата меди СuSO₄ , подкисленный разбавленной (1:5) серной кислотой H₂SO₄ , взятой из расчёта 2 мл разбавленной кислоты на 500 мл раствора сульфата меди, железная пластинка или стружка Fe , цинковая пластинка или гранулированный цинк Zn .

Посуда и приборы. Химические стаканы емкостью 400-600 мл (2 шт.).

Описание опыта. В химические стаканы наливают на 2/3 их объема подкисленный раствор сульфата меди и опускают в первый стакан железную пластину, предварительно хорошо очищенную наждачной бумагой и промытую водой, а во второй – цинковую пластину. Через 1-2 минуты вынимают металлические пластины из раствора, протирают их фильтровальной бумагой и демонстрируют аудитории ровное и блестящее медное покрытие. Выделение меди происходит в соответствии с уравнениями реакций:

CuSO₄+ Fe = Cu↓ + FeSO₄

CuSO₄+ Zn = Cu↓ + ZnSO₄

поскольку стандартный потенциал φº окислительно-восстановительной пары Cu²⁺/Cu , равный +0,338 В, больше стандартного потенциала для пары Fe²⁺/Fe (-0,441 В) и тем более – для пары Zn²⁺/Zn (-0,763 В). Таким образом, металлы, расположенные левее водорода в ряду напряжений, вытесняют металл, расположенный правее водорода.

Примечание. Вместо железной и цинковой пластин в опыте можно использовать железную стружку и гранулированный цинк.

Исторические сведения. Осаждение меди из раствора сульфата меди железом было известно арабским алхимикам уже в Х в. Правда, они считали, что медь « рождается » заново.