центр дополнительного образования одаренных школьников

Химическое отделение

Вятский государственный ГУМАНИТАРНЫЙ университет

Научно-исследовательская лаборатория

методики обучения химии

В. П. Исупов

Расстановка

коэффициентов

в Уравнениях

окислительно-восстановительных

реакций

Учебное пособие

Издание второе

Киров

2006

ББК 24.1

И 91

Рецензент – Ашихмина Т. Я., доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой химии и методики обучения химии ВятГГУ

И 91 Исупов В. П.

Расстановка коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановитель-ных реакций. Учебное пособие. – 2-е изд., испр. – Киров.: ЦДООШ, 2006, 26 с.

В пособии рассматриваются различные методы и подходы к расстановке коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях. Пособие будет полезно не только учащимся заочного химического отделения центра дополнительного образования одаренных школьников, но и студентам химических специальностей вузов, учителям средних школ при подготовке учащихся к химическим олимпиадам, к вступительным экзаменам в вузы.

© Кировский ЦДООШ, 2006

© Исупов В. П., 2006

Вы умеете подбирать коэффициенты в химических уравнениях? Некоторые могут возмутиться: «За кого, мол, нас принимают?! Да это пустяшное дело!». Но не спешите. Не все схемы реакций уравниваются быстро и верно. Встречаются иногда и химические «монстры». Попробуйте подобрать коэффициенты в таком уравнении:

[Cr(N₂H₄CO)₆]₄[Cr(CN)₆]₃ + KMnO₄ + HCl 

 K₂Cr₂O₇ + CO₂ + KNO₃ + MnCl₂ + KCl + H₂O.

Удалось? Сверьте Ваш результат с ответом:

10[Cr(N₂H₄CO)₆]₄[Cr(CN)₆]₃ + 1176KMnO₄ + 2798HCl =

= 35K₂Cr₂O₇ + 420CO₂ + 660KNO₃ + 1176MnCl₂ + 446KCl + 1879H₂O.

Эта схема была приведена в одном американском журнале, и редактор, достаточно опытный химик, желая проверить своих коллег на умение расставлять коэффициенты, в типично американской манере сообщил, на сколько долларов и центов он потратил времени, решая задачу. Через некоторое время американцу ответил израильский профессор, который сообщил, что ничего особенного в этом уравнении нет: он нашел коэффициенты во время занятий со студентами меньше, чем за 20 минут, успевая при этом отвечать на вопросы студентов. Получить эти коэффициенты действительно довольно легко. Хотите научиться? Но сразу и быстро ничего не получится. Начнем знакомиться с методами расстановки коэффициентов неторопливо, вдумчиво, прописывая все уравнения с решениями на черновике. Итак, начинаем…

Окислительно-восстановительные РеАкции

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) представляют значительную трудность даже для тех учащихся, кто довольно хорошо знает химию и интересуется ею.

Какие же реакции относятся к окислительно-восстановительным?

Признаком ОВР является обмен электронов между участниками процесса, сопровождающийся изменением степени окисления атомов. В этом предложении появилось понятие «степень окисления», количественно характеризующее состояние атома химического элемента в соединении. Какой смысл заключен в этом понятии?

Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что соединение состоит только из ионов. Иначе, степень окисления – это тот электрический заряд, который возник бы на атоме, если бы электронные пары, которыми он связан с другими атомами, были бы полностью отданы более электроотрицательным атомам.

Численное значение степени окисления определяется числом электронов, смещенных от одного атома к другому. Степень окисления может иметь отрицательные, положительные и нулевые значения. Кроме целочисленных значений, степень окисления может принимать и дробные. Иногда степень окисления называют окислительным числом или окислительным состоянием.

Степень окисления записывают арабской цифрой над символом элемента, знак заряда пишется перед цифрой. Не следует путать обозначение степени окисления с зарядом иона, когда цифра, показывающая величину заряда, записывается правым верхним индексом, а знак заряда – после нее.

Например, запись обозначает, что степень окисления атома железа равна +3, а запись обозначает ион железа с зарядом +3.

Отрицательные значения степени окисления имеют те атомы, которые приняли электроны от других атомов (или в их сторону смещено связующее электронное облако).

Положительное значение степени окисления имеют атомы, отдающие электроны другим атомам (или связующее электронное облако оттянуто от них).

Для успешной расстановки коэффициентов в уравнениях ОВР методом электронного баланса необходимо научиться определять степени окисления атомов.

ПРАВИЛА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА

1. В простых веществах степень окисления атомов равна нулю.

Если молекула простого вещества многоатомна (Н₂, Cl₂, N₂, Р₄, S₈ и т. п.) и образована одинаковыми по электроотрицательности атомами, то смещения электронов в такой молекуле не происходит, поэтому степень окисления атомов в такой молекуле равна 0. Если молекула простого вещества одноатомна, то атом элемента не отдал и не принял электронов, т. е. он электронейтрален.

2. Степень окисления одноатомного простого иона совпадает с его зарядом.

Например, в ионе Al³⁺ степень окисления алюминия равна +3.

3. Сумма степеней окисления всех атомов частицы определяет заряд этой частицы.

Например, в сульфат-ионе SO₄^2–содержится один атом серы со степенью окисления +6 и четыре атома кислорода со степенью окисления –2 у каждого. В сумме это составит +6 + 4  (–2) = +6 – 8 = –2. Заряд сульфат-иона равен 2–.

4. Молекула вещества электронейтральна, поэтому сумма положительных и отрицательных степеней окисления равна нулю.

Расшифровка этого правила будет приведена несколько ниже на многочисленных примерах.

5. Высшая положительная степень окисления элемента главной подгруппы определяется номером группы. Исключение составляют фтор и кислород. Фтор – самый электроотрицательный элемент и проявляет степень окисления ‑1. Кислород, за исключением пероксидов и соединений с фтором, проявляет степень окисления –2. Элементы побочных подгрупп (d-элементы) проявляют переменные степени окисления. У первых пяти элементов побочных подгрупп каждого периода максимальная положительная степень окисления совпадает с номером группы. У следующих пяти d-элементов максимальные степени окисления очень часто не совпадают с номером группы. Так, например, в побочных подгруппах восьмой группы степень окисления +8 проявляют только рутений и осмий, а максимальная степень окисления меди +3, хоть и расположена медь в 1-й группе.

6. Максимальная отрицательная степень окисления элементов главных подгрупп IV – VII групп равна (8 – N) со знаком «–», где N – номер группы элемента в периодической системе элементов.

7. Атом водорода в соединениях с неметаллами проявляет степень окисления +1, а в солеобразных гидридах – –1.

Рассмотрим примеры определения степеней окисления элементов в соединениях.

Задание 1. Определите степени окисления атомов в соединениях, состав которых выражается формулами:

N₂, N₂H₄, NH₃, HNO₃, NH₄NO₃, Cu(NO₃)₂.

Решение. N₂ – простое вещество азот, молекула которого состоит из двух одинаковых по электроотрицательности атомов. Три связующие электронные пары не смещены ни к одному из атомов, поэтому степень окисления азота равна 0.

Далее пользуемся правилом о том, что сумма степеней окисления элементов в молекуле равна нулю.

N₂H₄ – гидразин. Атом водорода проявляет степень окисления +1. В молекуле гидразина четыре атома водорода, поэтому суммарный положительный заряд +4. А это значит, что на 2 атома азота приходится четыре отрицательных заряда, а на один атом азота – два, т. е. степень окисления азота –2. При этом значении степени окисления азота правило соблюдается: 2  (–2) + 4  (+1) = 0.

NH₃ – аммиак. Соединение бинарное, степень окисления водорода +1, а так как в молекуле три атома водорода, суммарный положительный заряд +3. Тогда степень окисления азота –3.

В молекуле азотной кислоты атомы трех элементов. Зная, что степени окисления водорода +1, кислорода –2, легко найти степень окисления азота. Чтобы алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в соединении равнялась нулю, степень окисления азота должна быть равной +5: .

Заметим, кстати, что если ион не меняет своего состава, то и степени окисления элементов остаются неизменными. Если азот в нитрат-ионе азотной кислоты проявляет степень окисления +5, то такую же степень окисления он проявляет и в нитрате калия , и в нитрате кальция , и в нитрате железа (III) , т. е. в любом нитрате. Но если состав иона изменится, например, нитрат-ион превратится в нитрит-ион, то степень окисления понизится до +3:

В нитрате аммония содержатся два атома азота в различных степенях окисления. В нитрат-ионе азот проявляет степень окисления +5, это мы определили в предыдущем примере. В ионе аммония азот проявляет степень окисления –3, такую же, как и в аммиаке:

.

В нитрате меди (II) степень окисления каждого элемента определяется по аналогии:

.

Задание 2. Определите степень окисления мышьяка в мышьяковой кислоте.

Решение. Используя периодическую систему элементов и метод аналогий (мышьяк является аналогом фосфора), составляем формулу мышьяковой кислоты: H₃AsO₄. Обозначим степень окисления мышьяка через х. Зная степени окисления кислорода и водорода, составим уравнение

(+1)  3 + х + (–2)  4 = 0; х = +5.

Задание 3. Определите степень окисления урана в диуранате аммония (NH₄)₂U₂O₇.

Решение. Определить степень окисления урана можно исходя из электронейтральности молекулы в целом и по заряду диуранат-иона. Рассмотрим оба приема.

1). Диуранат-ион U₂O₇^2– имеет двойной отрицательный заряд. Обозначим степень окисления урана через х:

2х + (–2)  7 = –2 2x = 12 х = 6.

2). Если исходить из электронейтральности молекулы, то необходимо помнить, что степень окисления азота в ионе аммония равна –3:

2  [(–3) + 4  (+1)] + 2х + 7  (–2) = 0 2x = 12 x = 6.

Задание 4. Определите степень окисления х элемента Э в следующих соединениях: ЭF_n, Н₂ЭО_m, Н_kЭО_m, NaЭО_m.

Решение. Используя опыт выполнения предыдущих заданий, находим х для каждого соединения:

– в ЭF_n: х + (–1)  n = 0; х = + n,

– в Н₂ЭО_m: (+1)  2 + х + (–1)  m = 0; 2 + х – 2m = 0; х = + (2m – 2),

– в Н_kЭО_m: (+1)  k + x + (–2)  m = 0; k + x – 2m = 0; х = + (2m – k),

– в NaЭО_m: +1 + x – 2m = 0; x = + (2m – 1).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ОКИСЛИТЕЛЬНО-BОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ PЕАКЦИЙ

1. Окислением называют процесс «отдачи»¹ электронов частицей (атомом, ионом или молекулой):

Степень окисления атомов элементов при этом ПОВЫШАЕТСЯ.

2. Восстановлением называется процесс «присоединения» электронов частицей:

При восстановлении степень окисления ПОНИЖАЕТСЯ.

3. Частица, отдающая электроны, называется восстановителем. Во время реакции она окисляется. Для запоминания процесса используют мнемоническое правило: отдача и окисление начинаются с буквы «о», отдача есть окисление.

4. Частица, принимающая электроны, является окислителем. При этом она восстанавливается (взятие – восстановление).

5. Окислительно-восстановительные реакции всегда представляют диалектическое единство двух противоположных процессов: окисления и восстановления. Окисление всегда сопровождается восстановлением и наоборот. Согласно закону сохранения, число электронов, отдаваемых восстановителем, равно числу электронов, принимаемых окислителем.