Окислительно-восстановительные реакции

Реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными. Под степенью окисления (n) понимают тот условный заряд атома, который вычисляют исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов. Окисление и восстановление - это единый взаимосвязанный процесс. Окисление приводит к повышению степени окисления восстановителя, а восстановление – к ее понижению у окислителя. Происходит перемещение электронов от атомов или ионов одних элементов к атомам или ионам других.

Процесс отдачи электронов принято считать окислением, а присоединение электронов - восстановлением. Окисление элемента сопровождается повышением алгебраического значения его степени окисления, восстановление - уменьшением. Окислительно-восстановительные реакции, как и реакции любого другого типа, подчиняются закону сохранения массы и энергии.

Процесс окисления обязательно сопровождается процессом восстановления: сколько электронов отдается восстановителем, столько же принимается окислителем.

В качестве окислителей и восстановителей могут выступать как отдельные атомы и элементарные ионы, так и более сложные молекулы и ионы, в состав которых входят элементы, изменяющие свою степень окисления в процессе реакции.

Сущность окислительно-восстановительных реакций заключается в определении окислителя и восстановителя, в установлении направления реакции и характера образующихся продуктов с учетом условий этой реакции (концентрации и агрегатного состояния реагирующих веществ, температуры, рН среды и др.).

При окислительно-восстановительных реакциях валентность атомов может не меняться. Например, в окислительно-восстановительной реакции H₂^о + Сl₂^о= 2НСl валентность атомов водорода и хлора до и после реакции равна единице. Изменилась их степень окисления. Валентность определяет число связей, образованных данным атомом, и поэтому знака не имеет. Степень же окисления имеет знак “плюс" или ''минус”

Пример 1. Исходя из степени окисления (n) азота, серы и марганца в соединениях NH₃ , HNO₂ , HNO₃ , H₂S, H₂SO₃, H₂SO₄, MnO₂, KMnO₄ , определите, какие из них могут быть только восстановителями, только окислителями и какие проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства.

Решение. Степень окисления n (N) в указанных соединениях соответственно равна: -3 (низшая), +3 (промежуточная), +5 (высшая); n (S) соответственно равна: -2 (низшая), +4 (промежуточная), +6 (высшая); n (Mn) соответственно равна: +4 (промежуточная), +7 (высшая) отсюда: NH₃, H₂S - только восстановители; HNO₃, H₂SO₄, KMnO₄ - только окислители; HNO₂, H₂SO₃, MnO₂ - окислители и восстановители.

Для составления уравнений окислительно-восстановительных реакции применяют метод электронного баланса, который выводят: а) из электронных уравнений: б) из электронно-ионных уравнений.

Пример 2. Напишите схему окислительно-восстановительной реакции, затем составьте электронные уравнения исходя из того, что окислитель принимает электроны, а восстановитель - их отдает. Например, из схемы реакции

H₃As⁺³O₃ + KMn⁺⁷O₄ + H₂SO₄  H₃As⁺⁵O₄ + Mn⁺²SO₄ + K₂SO₄ + H₂O (1)

видно, что степень окисления атома мышьяка до реакции была +3, а после реакции стала +5, степень окисления атома марганца изменилась от +7 до +2. Отражаем это изменение степеней окисления в электронных уравнениях:

Восстановитель 5 As³⁺ - 2ē = As⁵⁺ — процесс окисления

окислитель 2 Mn⁷⁺ + 5ē = Mn²⁺ — процесс восстановления

Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно общему числу электронов, принятых окислителем. Найдя общее наименьшее кратное между числами 2 и 5, определяем, что молекул восстановителя должно быть 5; а молекул окислителя 2, т.е. находим соответствующие коэффициенты в уравнении реакции перед восстановителем, окислителем и продуктами окисления и восстановления. Уравнение реакции будет иметь вид:

5H₃AsO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ + 3H₂SO₄ = 5H₃AsO₄ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O (2)

Следует придерживаться правила, что составление уравнений окислительно-восстановительных реакций, если неизвестны их продукты, надо начинать с электронных уравнений.

Пример 3. Напишите схему окислительно-восстановительной реакции по методу электронно-ионных уравнений (полуреакций). При составлении электронно-ионных уравнений исходят не из изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, а учитывают форму существования веществ в растворе (простой или сложный ион, атом или молекула нерастворимого или трудно-диссоциирующего в воде вещества). Электронно-ионные уравнения точнее отражают истинные изменения веществ в процессе окислительно-восстановительных реакций и облегчают составление уравнений этих процессов в ионно-молекулярной форме. Степень окисления атомов в этом случае можно и не знать.

В рассмотренном выше примере (реакция 2) ион АsО₃^3- oкислился в ион AsO₄^3-. При переходе АsО₃^3- в AsO₄^3- кислород берется из воды и в результате образуется избыток ионов Н⁺:

АsО₃^3-+ Н₂О  AsO₄^3- +2Н⁺.

Так как суммы зарядов в левой и правой частях уравнения должны равняться друг другу, то из левой части уравнения следует отнять два электрона Электронно-ионное уравнение для процесса окисления будет иметь вид:

АsО₃^3-+ Н₂О – 2ē = AsO₄^3- +2Н⁺.

Соответственно для процесса восстановления:

MnO^4- + 8H⁺ + 5ē =Mn2+ + 4 H2O

Ионы водорода нужны для связывания в воду освобождающегося кислорода при переходе иона MnO^4- в ион Mn²⁺. Умножая члены первого уравнения на пять, а второго - на два и складывая их, получим ионно-молекулярное уравнение данной реакции:

5 АsО₃^3- +2 MnO^4- + 6Н⁺ = 5 АsО₃^3-+2 Mn²⁺ + 3H₂O

От ионного уравнения легко перейти к молекулярному (реакции 1 и 2).

Задача 201

Исходя из степени окисления хлора в соединениях НСl, HClO₃, HClO₄ определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? На основания электронных уравнении расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

КВr +КBrO₃ + Н₂SО₄ = Br₂+K₂SO₄ +H₂O

Задача 202

Реакции выражаются схемами:

P +HJO₃ + H₂O  H₃PO₄ +HJ

H₂S + Cl₂ + H₂O H₂SO₄ + HCl

Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, какое- восстановителем; какое вещество окисляется, какое – восстанавливается.

Задача 203

Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между веществами; а) РН3 и НBr; б) K₂Cr₂O₇ и H₃PO₃; в) HNO₃ и H₂S? На основания электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме

AsH₃ + HNO₃  H₃AsO₄ + NO₂ + H₂O

Задача 204

Допишите уравнения окислительно-восстановительных реакций:

H₂SO₄ + Н₂S  S + ….

KMnO₄ + MnSO₄+ H₂O  MnO₂ + H₂SO₄ + ….

Подберите коэффициенты и укажите окислитель и восстановитель.

Задача 205

Закончите уравнения реакций окисления - восстановления с участием KMnO₄, учитывая при этом, что Мn⁷⁺ в KMnO₄ в кислой среде восстанавливается до Мn²⁺, в щелочной - до Мn⁶⁺, в нейтральной – до Mn⁴⁺:

а) KNO₂ + KMnO₄ + H₂O  KNO₃+…

б) H₃PO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄  H₃PO₄ + …

в) PH₃ + KMnO₄ +HCl  H₃PO₄ + …

г) Na₃AsO₃ + KOH + KMnO4  Na₃AsO₄ + …

Задача 206

Составьте электронно-ионные схемы и закончите уравнения следующих окислительно-восстановительных реакций:

a) H₂SO₄ +Cu  CuSO₄ +SO₂ + H₂O

б) FeSO₄ + HNO₃ + H₂SO₄  Fe₂(SO₄)₃ + NO + H₂O

в) HCl + KMnO₄  Cl₂ + MnCl₂ + KCl + H₂O

г) HBr + H₂SO₄  SO₂ +Br₂ + H₂O

Задача 207

По приведенным ниже электронно-ионный схемам реакций составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций (в молекулярном виде):

а) 10Fe²⁺ - 10ē = 10 Fe³⁺

2MnO^4- +10ē+16 H⁺ =2Mn²⁺ + 8H₂O

б) 3Mg⁰ – 6ē = 3Mg²⁺

SO₄²- +6ē + 8H⁺ = S⁰ + 4H₂O

в) Fe⁰ - 2ē = Fe²⁺

2H⁺ +2ē =H₂

Задача 208

Составьте уравнения следующих реакций диспропорционирования:

а) HClO₃  ClO₂ + HClO₄ +H₂O

б) H2MnO₄  HMnO4 +MnO2 + H₂O

в) P + H₂O  H₃PO₃ + PH₃

г) KBrO  KBrO₃ + KBr

Задача 209

Исходя из степени окисления фосфора в соединениях РН₃, Н₃Р0₄, H₃PO₃, определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? На oсновании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

PbS + HNO₃  S +Pb(NO₃)₂ + NO + H₂O

Задала 210

Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между веществами: а)NH₃ и KMnO₄; б) HNO₂ u HJ; в)HCl и H₂Se? Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме: KMnO₄+ KNO₂ +H₂SO₄  MnSO₄ +KNO₃ + K₂SO₄ +H₂O

Задача 211

Закончите составление уравнений следующих окислительно-восстановительных реакций:

а) Al + HNO₃  NH₄NO₃ +…

б) HgS + HNO₃ +HCl  S +NO+…

в) H₂S +HOCl  S+ HCl +…

г) KBr + MnO₂ + H₂SO₄  Br₂ + MnSO₄ +…

Задача 212

Закончите уравнения следующих реакций внутримолекулярного окисления - восстановления:

а) AgNO₃  Ag + NO₂ + O₂

б) NH₄NO₃  N₂O + H₂O

в) HgO  Hg + O₂

г) Pb(NO₃)₂  PbO + NO₂ + O₂

Задача 213

Напишите реакции взаимодействия между: а) нитратом марганца и диоксидом свинца в присутствии азотной кислоты, при этом нитрат марганца окисляется до марганцевой кислоты; б) иодидом водорода и азотистой кислотой, при этом азотистая кислота восстанавливается до оксида азота; в) медью и концентрированной азотной кислотой. Для всех реакций составьте электронно-ионные схемы и подберите коэффициенты.

Задача 214

Составьте электронно-ионные схемы и закончите уравнения следующих окислительно-восстановительных реакций:

а) P +HNO₃ +H₂O  H₃PO₄ + NO

б) H₂S + HNO₃  S + NO₂ + H₂O

в) Hg + H₂SO₄  HgSO₄ +SO₂ + H₂O

г) FeCl₃ + HI  FeCl₂ + HCl + I₂

Задача 215

Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс - окисление или восстановление - происходит при следующих превращениях:

Mn⁶⁺  Mg²⁺; Cl⁵⁺ ® Cl^- ; N^3- ® N⁵⁺.

На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме

Cu₂O + HNO₃ ® Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

Задача 216

Реакции выражаются схемами;

HCl + CrO₃ ® Cl₂ + CrCl₃ + H₂O

Cd + KMnO₄ + H₂SO₄ ® CdSO₄ +MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций.

Задача 217

На основании электронных уравнений закончите уравнения следующих реакций:

Zn + (NH₄)₂MoO₄ + HCl ® MoCl₃ + …

NaCrO₂ + PbO₂ + NaOH ® Na₂PbO₄ + …

Задача 218

На основании: а) электронных; б) электронно-ионных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:

FeSO₄ + KClO₃ + H₂SO₄ ® Fe₂(SO₄)₃ + KCl + H₂O

K₂MnO₄ + H₂O ® KMnO₄ + MnO₂ + KOH

Задача 219

Какие из соединений КМnО₄, К₂Сг₂О₇, PH₃, H₂S, KI, H₂SO₄, N₂H₄, H₂O₂ являются только окислителями, какие - только восстановителями и какие могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства? Почему?

Задача 220

Окисление или восстановление происходит при следующих превращениях: МnО^ч- ® Mn²⁺; Сг₂О₇^2- ® Сr³⁺; Cl^- ® ClO^4-;VO^3- ® V³⁺;CrO^2- ® CrO₄^2-;NH ® NO?

Составьте электронно-ионные уравнения соответствующих процессов.