Тема 6. Окислительно-восстановительные реакции

С окислительно-восстановительными реакциями связаны про­цессы дыхания, обмена веществ, фотосинтеза, гниения, броже­ния, нервной деятельности человека и животных. При помощи окислительно-восстановительных реакций получают металлы, ор­ганические и неорганические соединения, проводят очиcтку сточных вод, газовых отходов и выбросов фабрик и заводов, что имеет большое значение для охраны окружающей среды. Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе метал­лургических процессов, коррозии металлов, они лежат в основе преобразования энергии взаимодействующих химических веществ в энергию электрического тока.

Реакции, идущие с изменением степени окисления атомов, входящих в соcтав реагирующих веществ, называются окислитель­но-восстановительными:

Окислительно-восcтановительные реакции - это диалектиче­ское единство одновременно протекающих противоположных про­цессов - окисления и восстановления.

Окисление - это процесс отдачи электронов атомом, моле­кулой или ионом, в результате степень окисления повышается. Вещества, отдающие свои электроны в ходе реакции, называют­ся восстановителями.

Пример I. , .

Восстановление - это процесс принятия электронов атомом, молекулой или ионом, степень окисления при этом понижается. Атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны, называ­ются окислителями.

Пример 2. , .

Окислительно-восстановительные свойства атомов и ионов обусловливаются строением их электронных оболочек и энерге­тическими характеристиками: энергией ионизации и сродством к электрону.

Процессы окисления и восстановления выражают электронными уравнениями. В них указывается изменение степени окисления частиц (атомов, ионов) и количество электронов, отданных вос­становителем и принятых окислителем.

Например - процесс окисления.

Степень окисления атома алюминия повысилась от нуля до +3. Это значит, что вещество из восстановленной формы превращает­ся в окисленную. Восстановленной формой будет металлический алюминий, а окисленной – ион Al³⁺

- процесс воcстановления.

В результате реакции степень окисления элемента понижает­ся, вещество из окисленной формы (S°) переходит в восстанов­ленную форму (S^2-).

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

Уравнения окислительно-восстановительных реакций носят сложный характер. При их составлении рекомендуется:

1. Соблюдать равенство суммарного числа электронов, от­данных восстановителем и принятых окислителем. Электронный баланс сохраняет электронейтральность системы.

2. Сохранить число атомов исходных веществ в продуктах ре­акции независимо от изменения состава соединений. Этот баланс основан на законе сохранения массы веществ при их химических превращениях.

3. Условно разделить суммарный химический процесс на ча­стные реакции - окислительную и восстановительную, в которых наряду с молекулами (ионами) участниками превращений являют­ся электроны. Число электронов, отданных восстановителем, является коэффициентом для окислителя в суммарном уравнении, в число электронов, принятых окислителем, является коэффици­ентом при восстанавливающейся частице.

4. При составлении уравнений с кислородосодержащими анио­нами

( ...)

нужно помнить, что в водных средах необходимо участие моле­кул воды и ионов Н⁺ и ОН^- (в зависимости от реакции среды) в окислительно-восстановительном процессе. Если окислитель теряет кислород, переходя в катион, то атомы кислорода вхо­дят в состав образующихся Н₂О или ОН^-:

.

Если восстановитель принимает кислород, переходя в анион с большим содержанием кислорода, то источником последнего является Н₂О или ОН^-:

.

Уравнения окислительно-восстановительных реакций имеют сложный характер, их составление представляет трудную зада­чу. Рассмотрим один из методов составления этих уравнений - метод электронного баланса. При использовании этого метода весь процесс удобно проводить в несколько стадий:

1. Установление формул исходных веществ и продуктов ре­акции.

2. Определение степени окисления элементов в исходных ве­ществах и продуктах реакции.

3. Определение числа электронов, отдаваемых восстановите­лем и принимаемых окислителем, и коэффициентов при восстано­вителях и окислителях.

4. Определение коэффициентов при всех исходных веществах и продуктах реакции, исходя из баланса атомов в левой и пра­вой частях уравнения.

Например, составим уравнение реакции окисления фосфора азотной кислотой.

1. Записываем схему реакции, установив форму исходных и полученных веществ:

.

2. Определяем степени окисления элементов в исходных ве­ществах и продуктах реакции:

3. Составляем электронные уравнения, определяем число электронов, отдаваемых восстановителем и принимаемых окисли­телем. Так как количество отданных электронов должно быть рав­но количеству принятых, то находим наименьшее общее кратное число перемещающихся электронов (в данном случае оно равно 15). Это и будет баланс электронов для данной реакции:

4. Находим коэффициенты при окислителе и восстановителе. Из электронных уравнений видно, что на каждые три молекулы фосфора приходится пять молекул азотной кислоты, следователь­но, множители 3 и 5 являются коэффициентами перед формулами окислителя (HNO₃) и восстановителя (Р):

5. Определяем коэффициенты для всех продуктов реакции; исходя из баланса атомов в левой и правой частях уравнения для данной реакции, находим, что в левой части недостает трех атомов водорода и двух атомов кислорода, следовательно, по­мимо указанных в схеме продуктов в реакции участвует вода:

6. Для того, чтобы убедиться, правильно ли для всех исход­ных веществ и продуктов реакции определены коэффициенты, под­считываем количество атомов кислорода в левой и правой частях уравнения.

При составлении окислительно-восстановительных реакций не­обходимо учитывать, сколько атомов (ионов) изменяет степень окисления в ходе реакции. При составлении электронных уравне­ний это обязательно должно быть учтено.

Например:

As₂S₃ + НNO₃ → H₃AsO₄ + H₂SO₄ + NО

Как видно из данного уравнения, два иона мышьяка и три иона серы отдают 28 электронов, баланс равен 84. В качестве окислителя выступает HNO₃, а воccтановителя - As₂S₃. Запи­сываем схему реакции с учетом коэффициентов окислителя и восстановителя:

3As₂S₃ + 28HNO₃ → 6H₃AsO₄ + 3H₂SO₄ + 28NO.

Для баланса по водороду и кислороду необходимо записать в ле­вую часть уравнения четыре молекулы воды: 3As₂S₃ + 28НNO₃ + 4H₂O = 6H₃AsO₄ + 9H₂SO₄ + 28NO.

Данное уравнение является окончательным.

Итак, обобщим правила определения стехиометрических коэф­фициентов в окислительно-восстановительных реакциях. Посколь­ку количества отданных и принятых электронов должны быть рав­ными, вводят дополнительные множители, устанавливающие элект­ронный баланс. Эти множители подбираются по правилу нахожде­ния наименьшего общего кратного и представляет собой стехиометрические коэффициенты при окислителе и восстановителе. Затем уравнивают количества атомов, не участвующих в окисли­тельно-восстановительном процессе, в следующем порядке:

1) число атомов металлов, не изменяющих степени окисления;

2) ионы кислотных остатков;

3) количество молекул среды (кислоты или щелочи);

4) количество ионов водорода (молекулы образовавшейся во­ды);

5) правильность расстановки коэффициентов осуществляется подсчетом общего количества атомов кислорода слева и справа.

Рассмотренный многоступенчатый метод составления окисли­тельно-восстановительных реакций приведен для разъяснения этой сложной задачи.