- •Поскольку молекула электронейтральна, то алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю, в ионе – заряду иона.
- •Атом водорода имеет условно-постоянную степень окисления +1, атом кислорода – условно-постоянную -2. Пусть х – степень окисления атома азота в катионе, а y – в анионе.
- •При практическом определении степени окисления необходимо учитывать ряд формальных принципов:
- •Некоторые элементы во всех сложных соединениях имеют постоянную степень окисления.
- •Водород и кислород в большинстве сложных веществ имеют условно постоянную степень окисления.
- •Другие элементы имеют различные (переменные) степени окисления, они зависят от химического окружения.
- •Необходимо знать, что:
- •Степень окисления и валентность – разные понятия. Значения этих величин часто не совпадают.
- •Решая уравнение, получаем х = 6, т.е. степень окисления хрома +6.
- •Пример 2. Определите валентность и степень окисления атома углерода в молекулах метана и метанола.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ЧИТИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
ОБЩАЯ ХИМИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ Учебно-методическое пособие
Чита – 2011
УДК 543
Коцюржинская Н.Н., Самойленко Г.Ю., Фатьянова Л.А., Бондаревич Е.А.
Окислительно-восстановительные реакции: учебно-методическое пособие. – Чита: ИИЦ ЧГМА, 2011. – 25 с.
Предлагаемое учебно-методическое пособие содержит теоретический материал необходимый для понимания сущности окислительновосстановительных процессов, их биологической роли и практического значения. В практическую часть включены упражнения по определению степеней окисления, составлению уравнений методами электронного и электрон- но-ионного баланса, а также упражнения для самоконтроля.
Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов первого курса медицинских вузов, изучающих общую химию.
Рецензенты:
Зав. кафедрой биохимии ЧГМА, к.м.н. П.Б.Цыдендамбаев; Зав. кафедрой химии ЗабГГПУ, к.т.н., доцент Л.В.Кирик.
Содержание
Введение…………………………………………………………………………..4
Степень окисления……………………………………………………………….5
Окислительно-восстановительные реакции…………………………………….7 Методы составления уравнений ОВР……………………………………….….11 Биологическое значение окислительно-восстановительных процессов……..19 Вопросы и упражнения для самоконтроля…………………………………….22
Приложение………………………………………………………………………23
Список литературы………………………………………………………………25
ВВЕДЕНИЕ
С окислительно-восстановительными реакциями связаны процессы дыхания и обмена веществ, брожение, фотосинтез, нервная деятельность человека и животных. Они лежат в основе круговорота веществ в природе, металлургических процессов, электролиза, преобразования энергии химического взаимодействия веществ в энергию электрического тока и др. Оксидиметрические (окислительно-восстановительные) методы используют для количественного анализа веществ. В том числе, их широко применяют в клинической лабораторной диагностике для определения в крови ионов кальция, глюкозы, ферментов, а в санитарно-гигиенической практике – для определения «активного» хлора в хлорной извести и остаточного хлора в воде и др.
Предлагаемое учебно-методическое пособие содержит необходимый теоретический материал о сущности окислительно-восстановительных процессов, о влиянии среды на качество протекания окислительновосстановительных реакций. Составление уравнений реакции часто вызывает затруднение у обучающихся. Данное пособие поможет разобраться в алгоритмах и способах подбора коэффициентов при самостоятельной подготовке к занятиям.
Тема: «Окислительно-восстановительные реакции».
Цель: познакомиться с типами окислительно-восстановительных реакций; научиться составлять уравнения электронно-ионным методом; изучить роль и медико-биологическое значение окислительно-восстановительных реакций (ОВР).
Значение темы: Знание механизмов ОВР необходимо для понимания принципов оксидиметрического титрования, переноса восстановительных потенциалов в биохимических процессах, медико-биологической роли и механизма токсического действия веществ, для определения направления протекания реакции её глубины и результата, в том числе в качественном анализе.
Исходный уровень:
1.Типы химических реакций.
2.Теория электролитической диссоциации. Диссоциация кислот, оснований, солей.
3.Составление ионных уравнений реакций.
СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, если
считать, что все атомы в молекуле являются ионами (т.е. все связи ионные). Считают, что общие электронные пары полностью переходят к атомам с большей электроотрицательностью.
Например, в молекуле хлороводорода (Hδ+ → Cl δ-) связь ковалентная полярная. Если общая пара перейдет к более ЭО атому хлора, то на атоме водорода появится заряд +1, а на атоме хлора –1. Следовательно, степени окисления атомов в молекуле равны: H+1Cl-1.
Поскольку молекула электронейтральна, то алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю, в ионе – заряду иона.
В соединениях с ковалентной неполярной связью и в молекулах простых веществ степени окисления элементов равны нулю. Например, H20, Cl20, C0, S0, Zn0.
При практическом определении степени окисления необходимо учитывать ряд формальных принципов:
1. Некоторые элементы во всех сложных соединениях имеют постоянную степень окисления.
Элемент |
Условно- |
Исключения |
|
постоянная |
|
|
степень |
|
|
окисления |
|
Н |
+1 |
Гидриды активных металлов |
Na+1H-1, Ca+2H2-1 |
||
|
|
Пероксиды водорода и метал- |
О |
–2 |
лов: |
|
|
H2+1O2-1, Ba+2O2-1 |
Фторид кислорода: O+2F2-1
2.Водород и кислород в большинстве сложных веществ имеют условно постоянную степень окисления.
Элементы |
Степень |
|
окисления |
Щелочные металлы |
+1 |
(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) |
|
Элементы II группы, кроме Hg |
+2 |
(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd) |
|
Алюминий (Al) |
+3 |
Фтор (F) |
–1 |
3.Другие элементы имеют различные (переменные) степени окисления, они зависят от химического окружения.
Необходимо знать, что:
1.Металлы во всех сложных соединениях имеют только положительные степени окисления.
2.Неметаллы могут иметь и положительные и отрицательные степени окисления.
3.Высшая степень окисления элемента, как правило, равна номеру груп-
пы, в которой находится элемент.
4.Низшая степень окисления металлов равна нулю.
5.Низшая степень окисления неметаллов обычно равна: – (8 – номер группы).
6.Степень окисления и валентность – разные понятия. Значения этих величин часто не совпадают.
Пример 1. Рассчитайте степени окисления элементов в дихромате калия. Решение: Формула дихромата калия: K2Cr2O7.
Атом калия имеет постоянную степень окисления +1, атом кислорода – ус- ловно-постоянную –2. Пусть х – степень окисления хрома. В целом сумма всех степеней окисления должна быть равна нулю:
2 · (+1) + 2х + 7 · (-2) = 0
Решая уравнение, получаем х = 6, т.е. степень окисления хрома +6.
K2+1Cr2 +6O7-2.
Пример 2. Определите валентность и степень окисления атома углерода в молекулах метана и метанола.
Решение: Метан: СН4. Валентность атома водорода равна I, следовательно, валентность атома углерода – IV. Степень окисления водорода +1, углерода:
х + 4(+1) = 0 , х = -4.
Метанол: СН3ОН. Валентность атома углерода равна IV. Степень окисления:
Н |
4 · (+1) + х + (-2) = 0, х = -2 |
Н─ С| |
─ О ─ Н |
| |
|
Н |
|
Пример 3. Рассчитайте степени окисления атомов азота в нитрате аммония. Решение: Формула нитрата аммония: NH4NО3. Это соль состоит из двух и о- нов: катиона аммония [NH4] + и нитратаниона [NО3] ‾.
Атом водорода имеет условно-постоянную степень окисления +1, атом кислорода – условно-постоянную -2. Пусть х – степень окисления атома азота в катионе, а y – в анионе.
В целом сумма всех степеней окисления в ионе должна быть равна заря-
ду иона, следовательно:
[NхH4+1]+ |
х + 4 = +1 ; х = – 3 |
[Ny О3-2] ‾ |
y – 6 = – 1 ; y = + 5 |
Степени окисления азота равны –3 и +5.
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
Реакции, в которых происходит изменение степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ называются окисли-
тельно-восстановительными (ОВР).
Изменение степеней окисления связано с перемещением электронов от одного атома к другому. Процесс отдачи электронов называется окислением. При окислении степень окисления атома повышается. Атомы, молекулы, ионы, отдающие электроны называются восстановителями, при этом они окисляются.
Например: Al0 – 3 e‾ → Al+3
Fe+2 – 1 e‾ → Fe+3
Процесс принятия электронов называется восстановлением. При восстановлении степень окисления атома понижается. Атомы, молекулы, ионы, принимающие электроны называются окислителями, при этом они восста-
навливаются. |
|
|
Например: |
O20 + 4 e‾ → 2O‾2 |
S0 + 2 e‾ → S-2 |
|
Cr+6 + 3 e‾ → Cr+3 |
Br20 + 2 e‾ → 2Br‾ |
В химических реакциях процессы окисления и восстановления протекают одновременно, следовательно, такие реакции представляют собой един-
ство двух противоположных процессов и |
для их протекания требуются и |
|||||||||
окислитель и восстановитель. |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
nе‾ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|||
|
Восстановитель |
+ |
|
Окислитель |
|
Продукты реакции |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Например: |
+2 |
|
+2 |
|
|
|
|
|||
Fe0 + CuSO4 = Cu0 + FeSO4 |
|
|
|
|||||||
|
В приведенном примере Fe0 – восстановитель, Cu+2 – окислитель. |
|||||||||
|
Fe0 – 2 e‾ → Fe+2 |
процесс окисления |
||||||||
|
Cu+2 + 2 e‾ → Cu0 |
процесс восстановления |
||||||||
|
|
|
Fe0 + Cu+2 = |
Fe+2 + Cu0 |
|
|
|
|||
Соединения, содержащие атомы элементов с максимальной степенью окисления, в ОВР могут быть только окислителями, а с низшей степенью окисления – только восстановителями. Атомы в промежуточной степени окисления могут, как отдавать, так и присоединять электроны и в окисли-
тельно-восстановительных реакциях являться и восстановителями, и окисли-
телями. |
|
|
|
|
Например: |
S-2 ↔ S0 ↔ S+4 |
↔ S+6 |
||
|
Низшая |
промежуточные |
Высшая |
|
|
степень |
степень |
||
|
степени окисле- |
|||
|
окисления |
окисления |
||
|
ния |
|
||
При характеристике окислительно-восстановительных процессов, как правило, рассматривают не свойства отдельных атомов, а свойства веществ в целом. Элементы, для которых характерны постоянные степени окисления в составе сложных веществ, как правило, не изменяют их в ходе реакции, а значит, они не влияют на окислительно-восстановительные свойства соединений.
Например: Рассмотрим окислительно-восстановительные свойства перманганата калия KMnO4. Элемент калий имеет в данном соединении постоянную степень окисления +1. Такое состояние для атома калия является устойчивым, так как он имеет завершенную электронную оболочку (К+ 1s22s22p63s23p6). Атом кислорода имеет наиболее характерную для него степень окисления -2, его электронная конфигурация также является завершенной. Марганец – это элемент, для которого характерна переменная степень окисления и он может достаточно легко изменять её в ходе реакции. Поскольку в молекуле перманганата калия марганец находится в высшей степени окисления +7, он может только присоединять электроны, что и определяет сильные окислительные свойства перманганата калия.
К важнейшим окислителям относятся:
Азотная кислота HNO3 и её соли нитраты |
N+5 |
Перманганат калия KMnO4. |
Mn+7 |
Соли дихроматы и хроматы K2Cr2O7 , |
Cr+6 |
K2CrO4 |
|
Фтор F2 |
F0 |
Концентрированная серная кислота H2SO4 |
S+6 |
Оксид свинца (IV) PbO2 |
Pb+4 |
Кислород О2 |
О0 |
К важнейшим восстановителям относятся:
Все металлы |
Fe0, Na0 |
Сероводород H2S |
S-2 |
Галогеноводородные кислоты и их соли (HCl, KI) |
Cl-1, I-1 |
Аммиак NH3 |
N-3 |
Гидриды металлов NaH |
H-1 |
Вещества, проявляющие окислительно-восстановительную двойственность:
Азотистая кислота HNO2 и её соли нитриты |
N+3 |
Азот N2 |
N0 |
Сернистая кислота H2SO3 и её соли сульфиты |
S+4 |
Сера S |
S0 |
Пероксид водорода H2O2 |
O-1 |
Оксид марганца (IV) MnO2 |
Mn+4 |
Галогены (кроме фтора) Cl2 |
Cl0 |
Классификация окислительно-восстановительных реакций
Различают три типа ОВР:
1.Межмолекулярные реакции. Элементы окислитель и восстановитель находятся в разных веществах.
Например:
1) S0 + O20 = S+4O2-2
S – восстановитель, О2 – окислитель.
2) Mn+4O2 + 2KI-1 + 2H2SO4 = I20 + K2SO4 + Mn+2SO4 + 2H2O MnO2 – окислитель, KI – восстановитель.
2.Внутримолекулярные реакции. Элементы окислитель и восстановитель находятся в одной и той же молекуле. Как правило, такие реакции протекают при термическом разложении веществ, содержащих окислитель и восстановитель.
Например: 2 KCl+5O3-2 → 2 KCl-1 + 3O20
Cl+5 – окислитель, O-2 – восстановитель.
3.Реакции самоокисления-самовосстановления (диспропорционирова-
ния). Один и тот же элемент одновременно повышает и понижает степень окисления.
Например: Cl20 + KOH = KCl+1O + KCl-1 + H2O Cl0 – окислитель, Cl0 – восстановитель.
МЕТОДЫ СОСТАВЛЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ОВР
Для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций применяются в основном два метода:
1.метод электронного баланса;
2.электронно-ионный метод (или метод полуреакций).
Метод электронного баланса
Электронный баланс – это метод нахождения коэффициентов в уравнениях ОВР, основанный на определении общего количества электронов, перемещающихся от восстановителя к окислителю. В его основе лежит правило:
Общее число электронов, отданное восстановителем, должно быть равно общему числу электронов, получаемых окислителем.
Алгоритм составления уравнений окислительно-восстановительных реакций:
1)записывают схему реакции;
2)определяют степени окисления элементов;
3)указывают элементы, изменяющие степени окисления (окислитель и восстановитель);
4)составляют уравнения процессов окисления и восстановления, определяя число электронов отданных восстановителем и приобретённых окислителем;
5)уравнивают число приобретённых и отданных электронов. Для этого находят наименьшее общее кратное для чисел электронов в процессах окисления и восстановления и вводят множители;
6)найденные коэффициенты подставляют в уравнение реакции перед формулами веществ, содержащих элемент восстановитель и окислитель;
7)методом подбора находят коэффициенты перед формулами оставшихся веществ;
8)проверяют правильность составления уравнения (для этого необходимо проверить баланс атомов, как правило, достаточно проверить число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения).
Пример 1. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции:
Na2SO3 + KMnO4 + H2SO4 → Na2SO4 + MnSO4 + K2SO4 + H2O
Решение:
1)Определим степени окисления всех элементов и укажем элементы, изменяющие степени окисления:
+1 +4 –2 |
+1 +7 –2 |
+1 +6 –2 |
+1 +6 –2 |
+2 +6 –2 |
+1 +6 –2 |
+1 –2 |
||
Na2SO3 |
+ KMnO4 |
+ H2SO4 |
→ Na2SO4 |
+ MnSO4 |
+ K2SO4 |
+ H2O |
||
восс-ль |
|
ок-ль |
|
|
|
|
|
|
2)Составим уравнения процессов окисления и восстановления: Mn+7 + 5 e‾ → Mn+2 (процесс восстановления)
S+4 – 2 e ‾ → S+6 |
(процесс окисления) |
3)Число отданных электронов в процессе окисления равно 2, число принятых электронов в процессе восстановления равно 5. Наименьшее общее кратное равно 10. Находим коэффициенты для уравнений процессов окисления и восстановления.
2 Mn+7 + 5 e‾ → Mn+2
5 S+4 – 2 e ‾ → S+6
4)Переносим данные коэффициенты в схему реакции:
5Na2SO3 + 2 KMnO4 + H2SO4 → 5 Na2SO4 + 2 MnSO4 + K2SO4 + H2O
5)Подбираем коэффициенты для других участников реакции:
5Na2SO3 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 = 5 Na2SO4 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 3 H2O
6)Проверяем баланс атомов кислорода. В левой и правой частях уравнения число атомов кислорода равно 35, значит уравнение реакции составлено верно.
Пример 2. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции:
KMnO4 + HCl → MnCl2 + Cl2 + KCl + H2O
Решение:
1) Определим степени окисления всех элементов и укажем элементы, изменяющие степени окисления:
+1 +7 –2 |
+1 –1 |
+2 |
–1 |
0 |
+1 –1 |
+1 –2 |
KMnO4 |
+ HCl → MnCl2 |
+ Cl2 |
+ KCl + H2O |
|||
ок-ль |
восс-ль |
|
|
|
|
|
2) Составим уравнения процессов окисления и восстановления: Mn+7 + 5 e‾ → Mn+2 (процесс восстановления)
2Cl-1 – 2 e ‾ → Cl20 (процесс окисления)
Уравнение процесса окисления составлено для двух атомов хлора, так как в молекуле продукта Cl2 содержится два атома хлора.
Запомните: число атомов в уравнениях процессов окисления и восстановления должно быть равно индексам, показывающим число атомов в молекулах веществ.
3)Число отданных электронов в процессе окисления равно 2, число принятых электронов в процессе восстановления равно 5. Наименьшее общее кратное равно 10. Находим коэффициенты для уравнений процессов окисления и восстановления.
2 Mn+7 + 5 e‾ → Mn+2
52Cl-1 – 2 e ‾ → Cl20
4)Переносим данные коэффициенты в схему реакции, кроме коэффициента перед формулой HCl:
2 KMnO4 + HCl → 2 MnCl2 + 5 Cl2 + KCl + H2O
Соляная кислота в данной реакции выступает не только в роли восстановителя, но и участвует в образовании солей.
5) Уравняем количество атомов калия в левой и правой части:
2 KMnO4 + HCl → 2 MnCl2 + 5 Cl2 + 2 KCl + H2O
6)Подсчитаем общее количество атомов хлора в правой части полученной схемы, оно равно 16. Следовательно, коэффициент перед формулой HCl равен 16:
2 KMnO4 + 16 HCl → 2 MnCl2 + 5 Cl2 + 2 KCl + H2O
Обратите внимание, что из 16 моль HCl 10 моль принимают участие в процессе окисления, а 6 моль участвуют в образовании солей – хлоридов. 7) Подбираем коэффициенты для других участников реакции:
2 KMnO4 + 16 HCl → 2 MnCl2 + 5 Cl2 + 2 KCl + 8 H2O
8)Проверяем баланс атомов кислорода. В левой и правой частях уравнения число атомов кислорода равно 8, значит уравнение реакции составлено верно.
Электронно-ионный метод (или метод полуреакций)
Если ОВР происходит в растворе, метод электронно-ионного баланса более удобен и универсален, чем метод электронного баланса, поскольку учитывает существование реально существующих в растворе частиц – атомов, молекул, ионов.
В основе этого метода лежит составление ионных уравнений для процессов окисления и восстановления и последующее их суммирование в общее уравнение.
При написании ионной схемы реакции следует учитывать правила составления сокращенных ионных уравнений, а при подборе стехиометрических коэффициентов — влияние среды, в которой протекает ОВР (кислая, нейтральная или щелочная).
Алгоритм составления уравнений ОВР методом полуреакций:
1)записывают схему реакции;
2)записывают ионную схему реакции;
3)определяют окислитель и восстановитель;
4)составляют ионные схемы процессов окисления и восстановления. Для баланса атомов в полуреакциях необходимо определить, в какой части
схемы есть избыток атомов кислорода, определить среду, в которой протекает реакция и использовать правила связывания атомов кислорода
(правила «стяжения»):
•в кислой среде избыток атомов кислорода связываем катионами водорода, недостаток восполняем водой;
•в щелочной и нейтральной среде избыток атомов кислорода связываем водой, а недостаток восполняем за счет гидроксид-ионов;
5)уравнивают количество атомов кислорода и водорода в полуреакциях, используя метод подбора;
6)определяют число отданных и принятых электронов. Для этого суммируют заряды частиц в левой и правой частях уравнения и уравнивают их, прибавляя или отнимая необходимое число электронов.
7)уравнивают число приобретённых и отданных электронов. Для этого находят наименьшее общее кратное для чисел электронов в процессах окисления и восстановления и вводят множители;
8)суммируют полуреакции в общее ионное уравнение с учетом подобранных коэффициентов и при необходимости сокращают его;
9)полученные коэффициенты в кратком ионном уравнении подставляют в уравнение реакции перед формулами соответствующих веществ;
10)методом подбора находят коэффициенты перед формулами оставшихся веществ (как правило, их немного и они содержат ионы, не принимавшие участие в окислительно-восстановительном процессе).
Пример 1. Используя метод электронно-ионного баланса, составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции:
Na2SO3 + KMnO4 + H2SO4 → Na2SO4 + MnSO4 + K2SO4 + H2O
Решение:
1)Составим схему краткого ионного уравнения реакции и определим частицы содержащие окислитель и восстановитель:
Схема полного ионного уравнения (в последствии её можно не записывать, переходя сразу к схеме краткого уравнения):
2Na+ +SO32– +K+ +MnO4‾ +2H+ +SO42– → 2Na+ +SO42– +Mn2+ +2K+ + H2O
Как видно из этой схемы в ОВР принимают участие не все частицы наход я- щиеся в растворе, поэтому краткая ионная схема реакции имеет вид:
SO32– + MnO4‾ + 2H+ → SO42– + Mn2+ + H2O
восс-ль ок-ль
Сульфит ионы SO32– окисляются в сульфат ионы SO42–, а перманганат ионы MnO4‾ восстанавливаются до катионов марганца Mn2+.
2) Составим схемы полуреакций окисления и восстановления:
SO32– → SO42– |
MnO4‾ → Mn2+ |
процесс окисления |
процесс восстановления |
3)Избыток атомов кислорода в схеме окисления находится в правой части, а в схеме восстановления в левой. Данная реакция протекает в присутствии серной кислоты, следовательно, среда – кислая. Используя правило стяжения в кислой среде, составим полуреакции.
SO32– + Н2О → SO42– + 2Н+
MnO4‾ + 8Н+→ Mn2+ + 4Н2О
4) Уравниваем заряды в левых и правых частях полуреакций:
–2 |
0 |
SO32– + Н2О – 2 е‾ → SO42– + 2Н+ |
|
MnO4‾ + 8 Н+ + 5 е‾ → |
Mn2+ + 4Н2О |
+7 |
+2 |
5)Составляем электронный баланс, помня, что число отданных и принятых электронов должно быть одинаковым. Записываем суммарное ионное уравнение с учетом коэффициентов:
5 SO32– + Н2О – 2 е‾ → SO42– + 2Н+
2 MnO4‾ + 8 Н+ + 5 е‾ → Mn2+ + 4Н2О
5 SO32– + 5 Н2О + 2 MnO4‾ + 16 H+ → 5 SO42– + 10 H+ + 5 Mn2+ + 8 H2O
Сокращаем количество молекул воды и катионов водорода в левой и правой частях ионного уравнения:
5SO32– + 2 MnO4‾ + 6 H+ → 5 SO42– + Mn2+ + 3 H2O
6)Используем для связывания ионов соответствующие противоионы, которые присутствуют в растворе – это катионы калия K+, натрия Na+ и сульфат анионы SO42– и расставляем коэффициенты в уравнении реакции:
5 Na2SO3 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 → 5 Na2SO4 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 3 H2O
7)Проверяем число атомов, не принимавших участие в окислительновосстановительном процессе (атомов натрия, калия и ионов среды – суль- фат-ионов), в левой и правой частях уравнения.
Решение будет выглядеть следующим образом:
|
|
|
|
|
+4 |
+7 |
+6 |
+2 |
|
+ 3 H2O |
|||
|
5 Na2SO3 + 2 KMnO4 + 3H2SO4 → 5 Na2SO4 |
+ 2 MnSO4 + K2SO4 |
|||||||||||
|
восс-ль |
ок-ль |
кисл. среда |
|
|
|
|
||||||
5 |
|
|
SO32– + Н2О – 2 е‾ → SO42– + 2Н+ |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
2 |
|
|
|
|
MnO4‾ + 8 Н+ + 5 е‾ → Mn2+ + 4Н2О |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 SO32– + 5 Н2О + 2 MnO4‾ + 16 H+ → 5 SO42– + 10 H+ + 5 Mn2+ + 8 H2O |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
5 SO32– + 2 MnO4‾ + 6 H+ → 5 SO42– + Mn2+ + 3 H2O |
|
|||||
|
|
|
|
|
Пример 2. |
Используя метод электронно-ионного баланса, составьте |
|||||||
уравнение окислительно-восстановительной реакции: |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Na2SO3 + KMnO4 + H2O → Na2SO4 + MnO2 + KOH |
|
|||||
|
|
|
|
|
Решение: В данном случае будем использовать правило стяжения для |
||||||||
нейтральной и щелочной сред: |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
+4 |
+7 |
+6 |
+4 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Na2SO3 + |
KMnO4 |
+ H2O → Na2SO4 + |
MnO2 + KOH |
|
||||
|
|
|
|
|
восс-ль |
ок-ль |
нейтр. среда |
|
|
|
|
||
|
3 |
|
SO32– + 2OН ‾ – 2 е‾ → SO42– + Н2О |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
2 |
|
|
MnO4‾ + 2Н2О + 3 е‾ → MnO2 + 4OH‾ |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3SO32– + 6OН‾ + 2MnO4‾ + 4H2O → 3SO42– + 3H2O + 2MnO2 + 8OH‾ 3SO32– + 2 MnO4‾ + H2O → 3 SO42– + 2 MnO2 + 2 OH‾
3 Na2SO3 + 2 KMnO4 + H2O → 3 Na2SO4 + 2 MnO2 + 2 KOH
|
Влияние среды на течение ОВР |
|||
Продукты превращения соединений в ОВР во многом зависят от среды. |
||||
Рассмотрим влияние среды на окислительную способность перманганат-иона, |
||||
продукты его восстановления и течение реакции. В кислой среде перманганат |
||||
восстанавливается до солейMn2+: |
|
|||
MnO4‾ + 8 Н+ + 5 е‾ → |
Mn2+ + 4Н2О |
|||
В нейтральной среде восстановление идет до оксидаMnO2: |
||||
MnO4‾ + 2Н2О + 3 е‾ → |
MnO2 + 4 OН‾ |
|||
В сильно щелочной среде образуются соли марганцеватой кислоты: |
||||
MnO4‾ + 1 е‾ → |
MnO42‾ |
|||
Чем выше кислотность среды, тем выше окислительная способность иона |
||||
MnO4‾. |
H+ |
Mn2+ |
|
|
|
бесцветный раствор |
|||
MnO4‾ |
H2O |
MnO2 |
бурый осадок |
|
OH ‾ |
||||
|
MnO42‾ |
зеленый раствор |
||
Чтобы правильно определить, какие продукты образуются в ОВР с участием соединений марганца, следует помнить, что: Mn2+ и Mn0 проявляют свойства восстановителей, Mn+7 – всегда окислитель.
Рассмотрим другой пример. Пероксид водорода в ОВР может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства, так как атом кислорода находится в промежуточной степени окисления-1.
окислитель Н2О2 |
|
|
Н2О2 |
+ 2Н+ + 2 е‾ → 2 Н2О (в кислой среде) |
|||
|
|
||||||
|
|
|
|
Н2О2 |
+ 2 е‾ → 2 ОН ‾ |
(в щелочной среде) |
|
|
|
|
|
||||
восстановитель Н2О2 |
|
|
Н2О2 |
– 2 е‾ → О2 + 2 Н+ |
(в кислой среде) |
||
|
|
||||||
|
+ 2ОН ‾ – 2 е‾ → О2 + 2 Н2О (в щелочной сре- |
||||||
|
|
|
Н2О2 |
||||
|
|
|
|||||
В качестве примеров, в которых пероксид водорода выступает окислителем, можно привести следующие реакции:
1) |
0 |
|
|
|
-1 |
+5 |
-2 |
|
|
||
I2 |
+ |
H2O2 → |
HIO3 + |
H2O |
|
||||||
|
восс-ль |
ок-ль |
|
|
|
|
|||||
|
5 |
|
Н2О2 + 2 H+ + 2 е‾ → 2 Н2О |
|
|||||||
|
|
|
|||||||||
|
2 |
|
I2 |
+ 6H2O – 10 е‾ → 2IO3‾ + 12 H+ |
|
||||||
|
|
|
|
2O + 2IO3‾ + 12 H+ |
|||||||
|
|
|
5Н2О2 + 10 H+ + 6 Н2О + I2 → 10H |
||||||||
|
|
|
|
|
|
5Н2О2 |
+ I2 → 4H2O + 2IO3‾ + 2 H+ |
||||
|
|
|
|
|
|
I2 + |
5 H2O2 → 2 HIO3 + 4 H2O |
|
|||
2) |
|
|
+3 |
|
-1 |
|
+6 |
-2 |
|||
NaCrO2 |
+ |
H2O2 + NaOH → Na2CrO4 + H2O |
|||||||||
|
|||||||||||
|
восс-ль |
|
ок-ль |
|
|
|
|
||||
|
3 |
|
Н2О2 + 2 е‾ → 2 OH ‾ |
|
|||||||
|
|
|
|||||||||
|
2 |
|
CrO2‾ + 4OH ‾ – 3 е‾ |
→ CrO42‾ + 2H2O |
|
||||||
|
|
|
|
|
+ 2CrO42‾ + 4H2O |
||||||
|
3Н2О2 |
+ 2CrO2‾ +8OH ‾ |
→ 6OH ‾ |
||||||||
|
|
3Н2О2 |
+ |
2CrO2‾ +2OH ‾ → 2CrO42‾ + 4H2O |
|||||||
|
2NaCrO2 |
+ 3H2O2 + 2NaOH → 2Na2CrO4 |
+ 4H2O |
||||||||
При взаимодействии с сильными окислителями пероксид водорода выступает в качестве восстановителя:
|
|
-1 |
+7 |
|
+2 |
|
0 |
|
|
H2O2 |
+ KMnO4 |
+ H2SO4 → MnSO4 |
+ O2 + K2SO4 + H2O |
||||
восс-ль |
ок-ль |
кисл. среда |
|
|
|
|||
5 |
|
Н2О2 – 2 е‾ → О2 + 2 Н+ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||||
2 |
|
MnO4‾ + 8 Н+ + 5 е‾ → Mn2+ + 4Н2О |
||||||
|
|
|
|
10Н+ + 2Mn2++ 4H2O |
||||
5Н2О2 |
+ 2MnO4‾ + 16Н+ → 5О2 |
+ |
||||||
5Н2О2 |
+ 2MnO4‾ + 6Н+ → 5О2 |
+ 2Mn2++ 4H2O |
||||||
5H2O2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 2MnSO4 |
+ 5O2 + K2SO4 + 4H2O |
|||||||
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
Важными процессами в организме человека и животных являются реакции ферментативного окисления веществ – субстратов (углеводов, высших жирных кислот, аминокислот). В результате таких реакций высвобож-
дается большое количество энергии. Особенностью биохимических реакций окисления-восстановления является их многоступенчатость – они протекают по сложным механизмам с участием большого количества ферментов и сопровождаются образованием множества различных промежуточных продуктов. Конечный этап окисления – биологическое окисление происходит в митохондриях в результате переноса электронов от органических субстратов на атомарный кислород (в организме основным окислителем является молекулярный кислород, поступающий в процессе дыхания).
Процесс окисления субстратов (S) можно представить следующим уравнением:
SH2 (восстановленная форма) + 1/2 O2 → S (окисленная форма) + H2O
Механизм этой реакции представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных стадий, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками электронов. В качестве переносчиков выступают белки-ферменты (E), содержащие различные группы (коферменты), принимающие участие в транспорте электронов (P).
Совокупность последовательных окислительновосстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью.
SH2 |
P1 ox |
P |
red |
P3 ox |
P4 red |
½ О2 |
|||
2 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
E4 |
|
|
|
|
E1 |
|
E2 |
|
|
E3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P3 red |
P4 |
ox |
Н2О |
S |
P1Sred |
P2 |
ox |
||||||
По мере продвижения электронов по цепи происходит высвобождение энергии. Значительная часть свободной энергии запасается в химических связях АТФ, вследствие энергетического сопряжения процессов биологического окисления и окислительного фосфорилирования (синтеза АТФ). На
каждую пару электронов, переданных в электроно-транспортную цепь, синтезируются три молекулы АТФ.
Окислительно-восстановительными являются реакции, лежащие в основе обезвреживания некоторых токсических веществ, образующиеся в ходе метаболизма. Например, пероксид водорода под действием фермента каталазы, в активном центре которого находятся ионы Fe2+, разлагается до кислорода и воды (реакция самоокисления-самовосстановления):
2Н2О2 = 2Н2О + О2 Вещества, обратимо реагирующие с окислителями и предохраняющие
субстраты от их воздействия, называются антиоксидантам. Они широко применяются в медицине, например: аскорбиновая кислота, витамин Е. В основе механизма действия многих антидотов, также лежат окислительновосстановительные реакции. Так, при отравлениях сероводородом пострадавшему дают подышать слегка увлажненной хлорной известью, при этом протекает реакция: H2S + Cl2 = 2HCl + S. При отравлении бромом дают вдыхать пары аммиака: 3Br2 + 8NH3 = 6NH4Br + N2.
Во многих случаях фармацевтические свойства медицинских препаратов находятся в непосредственной связи с их окислительновосстановительными свойствами. Ряд антисептических, противомикробных средств являются, одновременно, сильными окислителями (растворы перманганата калия, пероксида водорода).
Клиническая лабораторная диагностика также не обходится без этих реакций. Для обнаружения алкоголя в выдыхаемом воздухе используют реакцию окисления этилового спирта оксидом хрома (VI):
3C2H5OH + 4CrO3 + 6H2SO4 = 2Cr2(SO4)3 + 3CH3COOH + 9H2O.
Глюкозооксидазный метод определения глюкозы в крови, определение содержания холестерина, мочевой кислоты, активности ферментов каталазы и пероксидазы – также относятся к окислительно-восстановительным.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Что такое степень окисления? Определите степени окисления атомов в молекулах: PH3, H3PO4, NaCrO2, Na2CrO4, Cr2(SO4)3, Cl2, HClO, KClO3.
2.Какие реакции называются окислительно-восстановительными? Какие типы ОВР вы знаете? Приведите примеры.
3.Как называются частицы, которые: а) отдают электроны, б) принимают электроны?
4.Какие вещества могут выступать в роли: а) только окислителей, б) только восстановителей, в) и окислителей и восстановителей: CrO3, Na2CrO4, KI, Fe, H2O2, H2S, KNO2, SO2? Почему?
5.Используя метод электронного баланса, подберите коэффициенты, укажите окислитель и восстановитель:
а) Al + I2 → AlI3; б) AgNO3 → Ag + NO2 + O2; в) NH3 + O2 → N2 + H2O
6.Используя, метод электронно-ионного баланса, составьте уравнения реакций, укажите вещества окислитель и восстановитель. В какой среде протекает каждая реакция? Какое правило стяжения вы будете использовать для каждой реакции?
а) К2Сг2O7 + KI + H2SO4 = Cr2(SO4)3 + … + … + … б) Н2O2 + KI + H2SO4 = I2 + … + …
в) K2S + K2MnO4 + Н2O = S + … + … г) HNO2 = NO + NO2 + …
д) C6H12O6 + KMnO4+ H2SO4= CO2 + е) PbO2 + MnSO4 + HNO3 = PbSO4 + ж) KCrO2 + PbO2 + KOH → PbO +
При составлении уравнений пользуйтесь таблицами важнейших окислителей и важнейших восстановителей (см. Приложение).
|
|
|
ПРИЛОЖЕНИЕ |
|
ВАЖНЕЙШИЕ ВОССТАНОВИТЕЛИ |
||
|
|
|
|
Элемент |
|
Схема превращения |
Среда |
|
|
Соединения |
|
N-3 |
|
NH30 → NO3- |
Щелочная |
О- |
|
Н2О20 → О20 |
|
S2- |
|
H2S0 → S0 чаще; SO20 |
|
О-2 |
|
Н2О0 → О20 |
|
Mn+4 |
|
MnO20 → MnO42‾ |
Щелочная |
|
|
MnO20 → MnO4‾ |
Кислая |
Металл |
|
Me0 → Men+ |
|
(простое вещество) |
|
|
|
|
|
Ионы |
|
|
|
|
|
Галогенид - ионы |
|
2Gal‾ → Gal20 |
|
S+4 |
|
SO32- → SO42- |
|
S2- |
|
S2- → S0 |
|
N+4 |
|
NO2‾ → NO3‾ |
|
C+3 |
|
C2O42- → CO20 |
|
O-2 |
|
OH‾→ O20 или H2O20 |
|
Fe2+ |
|
Fe2+ → Fe3+ |
Кислая |
|
|
Fe2+ → Fe(OH)30 |
Щелочная |
Mn2+ |
|
Mn2+ → MnO4‾ |
Кислая |
|
|
Mn2+ → MnO20 |
Нейтральная |
|
|
Mn2+ → MnO42‾ |
Щелочная |
Mn+6 |
|
MnO42- → MnO4‾ |
|
Cr3+ |
|
Cr3+ → CrO42- |
Щелочная |
|
|
Cr3+ → Cr2O72- |
Кислая |
|
|
CrО2‾ → CrO42- |
Щелочная |
Pb2+ |
|
Pb2+ → PbO20 |
|
N-3 |
|
NH4+ → N20; NO3‾ |
|
Br‾ |
|
Br‾ → BrO3‾ |
|
Co2+ |
|
Co2+ → Co3+ |
|
ВАЖНЕЙШИЕ ОКИСЛИТЕЛИ
Элемент |
Схема превращения |
Среда |
|
Соединения |
|
О0 |
О20 → Н2О0 или Н2О20 |
Кислая |
|
О20 → ОН‾ |
Щелочная |
|
О20 → О2‾ |
|
S0 |
S0 → S2- |
|
|
S0 → H2S0 |
Кислая |
Галоген |
Gal20→ 2Gal‾ |
|
(простое вещество) |
|
|
C+4 |
CO20 → HCOOH0 |
|
Pb+4 |
PbO20→ Pb2+ |
|
Mn+4 |
MnO20 → Mn2+ |
Кислая |
О‾ |
Н2О2 → 2Н2О0 |
Кислая |
|
Н2О2 → 2ОН- |
Щелочная |
|
Ионы |
|
Mn+7 |
MnO4‾ → Mn2+ |
Кислая |
|
MnO4‾ → MnO20 |
Нейтральная |
|
MnO4‾ → MnO42- |
Щелочная |
Cr+6 |
Cr2O72- → Cr3+ |
Кислая |
|
CrO42- → Cr3+ |
|
|
CrO42- → Cr(ОН)30 |
Щелочная |
S+6 |
SO42- → SO32- ( S0; SO20; |
|
|
H2S0) |
|
Ионы – металлов |
Меn+ → Me0 |
|
Fe3+ |
Fe3+ → Fe2+ |
|
N+5 |
NO3- → NO2‾ (NO20; NO0; |
|
|
N2O0; N20; NH30; NH4+) |
|
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература:
1)Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов : учебник / Ю.А. Ершов [и др.] ; под ред. Ю.А. Ершова. М. : Высш. шк., 1993. –
560 с.
2)Попков В.А. Общая химия : учебник / В.А. Попков, С.А. Пузаков. – М. : ГЭОТАР-Медиа, 2007. – 976 с.
3)Слесарев В.И. Химия : Основы химии живого : учебник / В.И. Слесарев. – СПб. : Химиздат, 2000. – 768 с.
Дополнительная литература:
4)Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия : учебник / Н.С. Ахметов. – 4-е изд., испр. – М. : Высш. шк., 2002. – 743 с.
5)Попков В.А. Сборник задач и упражнений по общей химии : учебное пособие / В.А. Попков, С.А. Пузаков, А.А. Филиппова. – М. : Высш. шк.,
2007. – 255 с.
6) Хаускрофт К. Современный курс общей химии : в 2 т. : п ер. с англ. / К. Хаускрофт, Э. Констебл. – М. : Мир, 2002. – Т.1. – 540 с.
7)Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы / А.С. Егоров [и др.] ; под ред. А.С. Егорова. – Ростов н/Д. : изд-во «Феникс», 2001. – 768 с.
8)Химия. 8-11 классы: тренинги и тесты с ответами по теме «Окислительновосстановительные реакции / авт. сост. Т.М. Солдатова. – Волгоград: Учи-
тель, 2007. – 181 с.
