Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Окислительно-восстановительные реакции. Учебно-методическое пособие.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
09.08.2026
Размер:
278 Кб
Скачать

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: NH43. 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).

S-2 – 2 e‾ → S0 2Cl‾ – 2 e‾ → Cl20

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 MnO4восстанавливаются 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+

 

 

 

2О2 + 10 H+ + 6 Н2О + I2 10H

 

 

 

 

 

 

2О2

+ 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

 

2О2

+ 2CrO2‾ +8OH ‾

6OH ‾

 

 

2О2

+

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

2О2

+ 2MnO4‾ + 16Н+ → 5О2

+

2О2

+ 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):

2О2 = 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.