Лабораторная работа № 14 окислительно-восстановительные реакции

Цель работы: усвоение сущности окислительно-восстановительных реакций, овладение техникой составления уравнений этих реакций, а также установление внешних изменений, которыми сопровождается наиболее характерные окислительно-восстановительные процессы.

Реактивы и материалы: железо гранулированное, цинк гранулированный, дихромат аммония твердый, оксид свинца(IV), 0,5 н. раствор нитрата свинца(II), раствор иодида калия, 25 %-ный раствор аммиака, 3 %-ный раствор пероксида водорода, нитрат меди(II) кристаллический, 0,5 н. раствор сульфата меди(II), водный раствор брома, 0,5 н. раствор сульфида натрия, 0,5 н. раствор перманганата калия, раствор сульфита натрия, раствор сульфата железа(II), раствор дихромата калия, концентрированный раствор гидроксида натрия, 1 н. и 2 н. растворы серной кислоты.

Оборудование: набор пробирок, химические стаканы, мерные цилиндры, шпатели.

Техника безопасности: соблюдать основные правила работы в химической лаборатории, а также технику безопасности при работе с концентрированными растворами кислот и щелочей, нагревательными приборами.

Опыт 1. Простые вещества и элементарные ионы в качестве окислителей и восстановителей

а) Взаимодействие металлического железа с ионом водорода. В пробирку с 2-3 мл разбавленного раствора серной кислоты (или соляной) опустите гранулу зачищенного железа. Наблюдайте выделение газа.

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите наблюдаемое явление.

2. Укажите тип реакции.

3. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты ионно-электронным методом (метод полуреакций), укажите окислитель и восстановитель.

б) Взаимодействие металлического цинка с ионом меди Cu²⁺. В пробирку с 2-3 мл 0,5 н. раствора сульфата меди(II) опустите гранулу металлического цинка.

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите наблюдаемое явление.

2. Укажите тип реакции.

3. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты ионно-электронным методом (метод полуреакций), укажите окислитель и восстановитель.

в) Взаимодействие брома с ионом S^2-. К 2-3 мл бромной воды добавьте несколько капель 0,5 н. раствора сульфида натрия.

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите наблюдаемое явление.

2. Укажите тип реакции.

3. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

Опыт 2. Влияние рН среды на характер восстановления перманганата калия

а) Окисление сульфита натрия перманганатом калия в кислой среде.  Налейте в пробирку 2-3 мл раствора перманганата калия, такой же объем 2 н. раствора серной кислоты, затем по каплям прибавьте раствор сульфита натрия до полного обесцвечивания раствора. 

Контрольные вопросы и задания:

1. В какой ион переходит ион MnО₄^- в кислой среде?

2. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

3. Укажите, какую функцию в реакции выполняет сульфит натрия и серная кислота? 

б) Окисление сульфита натрия перманганатом калия в нейтральной среде. Налейте в пробирку 2-3 мл раствора перманганата калия и примерно такой же объем раствора сульфита натрия.

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите наблюдения. Как меняется в этом случае цвет раствора? Какое соединение выпадает в осадок?

2. Какая степень окисления марганца устойчива в щелочной и слабоосновной среде? 

3. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

в) Окисление сульфита натрия перманганатом калия в щелочной среде. Налейте в пробирку 2-3 мл концентрированного раствора щелочи, такой же объем раствора сульфита натрия, затем 2-3 капли раствора перманганата калия.

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите наблюдения. Как изменилась окраска раствора? Какой ион придает раствору такую окраску?

2. Какая степень окисления марганца устойчива в щелочной и слабоосновной среде? 

3. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

4. На основании опытов а, б, в, сделайте общий вывод о характере продуктов восстановления перманганат-иона в зависимости от рН среды.

5. В какой среде перманганат-ион проявляет более высокую окислительную активность? 

Опыт 2. Окислительные свойства дихромата калия 

а) Окисление сульфата железа(II) дихроматом калия.  Налейте в пробирку 2-3 мл раствора дихромата калия и столько же 3 н. раствора серной кислоты, после чего по каплям приливайте раствор сульфата железа(II).

Пока дихромат-ионы полностью не прореагируют, их оранжевый цвет в сочетании с цветом образовавшихся гидратированных ионов хрома(III), образует бурый раствор. Поэтому добавление по каплям раствора сульфата железа(II) следует вести до достижения устойчивой окраски.

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите наблюдения. В какой цвет окрашен раствор? Какую функцию выполняет в этой реакции сульфат железа(II)? 

2. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

б) Окисление сульфита натрия дихроматом калия. Приготовьте в пробирке, как в предыдущем опыте, раствор дихромата калия, подкисленный серной кислотой, и прибавьте к нему по каплям раствор сульфита натрия до достижения устойчивой окраски.

Контрольные вопросы и задания:

1. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

Опыт 3. Окислительно-восстановительные свойства соединений элементов, находящихся в промежуточной степени окисления      

В одну пробирку налейте 2-3 мл раствора перманганата калия, подкислите разбавленным раствором серной кислоты и добавьте раствор нитрита натрия до обесцвечивания раствора. В другую пробирку внесите 2-3 мл раствора иодида калия, подкислите разбавленным раствором серной кислоты и добавьте раствор нитрита натрия до изменения окраски. 

Контрольные вопросы и задания:

1. Как объяснить наблюдаемые явления? В каком случае нитрит-ионы проявляют восстановительные и в каком окислительные свойства?

2. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

Опыт 4.  Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции

а) Внутримолекулярное окисление-восстановление дихромата аммония ((NH₄)₂Cr₂O₇). На железную пластинку поместите 2–3 г дихромата аммония. Нагревайте соль до начала реакции и затем прекратите нагревание. Обратите внимание на особенности протекания реакции и ее продукты. 

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите наблюдаемое явление. Какие продукты образуются при прокаливании дихромата аммония? Каков их цвет?

2. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

б) Внутримолекулярное окисление-восстановление нитрата меди(II). В пробирку внесите несколько кристаллов нитрата меди(II) (Cu(NO₃)₂∙3H₂O). Закрепите пробирку в штативе и осторожно нагрейте, наблюдая изменение цвета кристаллов и цвета выделяющегося газа.

Контрольные вопросы и задания:

1. Напишите уравнение реакции разложения нитрата меди(II), учитывая окраску продуктов.

2. Подберите коэффициенты в уравнении методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

Опыт 3. Восстановительные свойства атомов р-элементов в отрицательной степени окисления

В две пробирки внесите по 2-3 мл бромной воды, в первую добавьте 2-3 мл раствора сульфида натрия, во вторую – столько же 25 %-ного раствора аммиака. В обоих случаях наблюдается обесцвечивание раствора, кроме того, в первой пробирке наблюдается помутнение - в осадок выпадает сера, а во второй пробирке выделяется азот.

Контрольные вопросы и задания:

1. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

Опыт 5. Окислительные и восстановительные свойства пероксида водорода

а) Взаимодействие пероксида водорода с перманганатом калия. Внесите в пробирку 2-3 мл 2 н. раствора серной кислоты и 2-3 мл 3 %-ного раствора пероксида водорода. Затем по каплям добавляйте 0,5 н. раствор перманганата калия. Наблюдайте изменение цвета раствора. Испытайте тлеющей лучинкой выделяющийся газ.

Контрольные вопросы и задания:

1.Объясните происходящее явление.

2. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель. Какова роль в проведенной реакции пероксида водорода?

б) Взаимодействие пероксида водорода с иодидом калия. Внесите в пробирку 5-6 капель раствора иодида калия и 2-3 капли 2 н. раствора серной кислоты. Затем прибавьте 3-4 капли 3 %-ного раствора перекиси водорода. Бесцветный раствор окрашивается в желтый цвет. С помощью крахмального клейстера обнаружьте свободный йод.

Контрольные вопросы и задания:

1. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

в) Взаимодействие пероксида водорода с сульфидом свинца. В пробирку с 2 мл 0,5 н. раствора нитрата свинца(II) добавьте равный объем раствора сульфида натрия, нагрейте до кипения. Обратите внимание на цвет выпавшего осадка. Слейте раствор с осадка. Прилейте к осадку 3 мл 3 %-ного раствора перекиси водорода и слегка нагрейте.

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите наблюдения. Как изменяется окраска осадка в ходе эксперимента?

2. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель. Какую роль выполняет в этой реакции пероксид водорода?

г) Взаимодействие пероксида водорода с оксидом свинца(IV). В пробирку с 3-4 мл 3 %-ного раствора пероксида водорода и 2-3 мл 2 %-ного раствора серной кислоты внесите несколько кристалликов оксида свинца(IV).

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите наблюдения. Какой газ выделяется в ходе эксперимента?

2. Напишите уравнение реакции, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

Опыт 6. Реакция диспропорционирования

К небольшому количеству бромной воды приливайте по каплям 2 н. раствор щёлочи до появления бледно-желтой окраски раствора.

Контрольные вопросы и задания:

1. Напишите уравнение реакции взаимодействия брома с раствором щелочи, подберите коэффициенты методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель.

2. Докажите опытным путем наличие в растворе гипобромита, использовав для это цели водный раствор индиго или фуксина

Контрольные вопросы:

1. Какие из реакций, уравнения которых приведены ниже, являются окислительно-восстановительными:

а) 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

б) Na₂O + 2НСl = 2NaCl + H₂O

в) H₂ + Cl₂ = 2HCl

г) Cl₂ + H₂O = HClO + HCl

2. Укажите восстановитель и окислитель в следующих реакциях:

а) 2Аl + 6НСl = 2АlСl₃ + 3Н₂

б) 2H₂S + H₂SО₃ = 3S + 3 H₂O

в) 3НI + H₂SО₄ = 4I₂+ H₂S + 4H₂O

г) 2КСlО₃ = 2КСl + 3О₂

3. В каких из приведенных ниже уравнений реакций оксид марганца(IV) проявляет свойства окислителя, а в каких — восстановителя:

а) 2МnO₂ + 2H₂SО₄ = 2MnSO₄ + О₂+ 2H₂O

б) 2МnO₂ + О₂ + 4КОН = 2K₂MnO₄ + 2H₂O

в) МnO₂ + H₂ = МnО + H₂O

г) 2МnO₂ + 3NaBiO₃ + 6НNО₃ = 2НМnO₄ + 3BiONO₃ + 3NaNO₃ + 2H₂O

4. Определите типы окислительно-восстановительных реакций:

а)H₂S + 8НNO₃ = H₂SО₄ + 8NО₂ + 4H₂O

б) 2Н₂S + H₂SО₃ = 3S + 3H₂O

в) 2Pb(NO₃)₂= 2РbО + 4NО₂ + О₂

г) 2NaNO₃= 2NaNО₂ + О₂

д) NH₄NО₂ = N₂+ 2H₂O

е) 3HNО₂ = HNO₃+ 2NO + 2H₂O

5. В каких из указанных ниже веществ марганец может проявлять только восстановительные свойства или только окислительные, или те и другие: КMnO₄, МnO₂, Mn₂O₇, Мn, К₂МnO₄, МnО.

6. Укажите, в каких из приведенных ниже веществ сера может проявлять только восстановительные свойства, только окислительные, те и другие: S, Н₂S, H₂SО₃, SO₃, FeS, SO₂, H₂SО₄, Na₂S₂O₃.

7. Методом электронного баланса подберите коэффициенты в схеме окислительно-восстановительной реакции: Н₂S + K₂Cr₂O₇ + H₂SО₄ → S + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

8. Методом электронного баланса подберите коэффициенты в схемах, лежащих в основе металлургических процессов:

а) Fe₂О₃ + Аl → Al₂О₃+ Fe

б) V₂O₅ + Са → СаО + V

в) МnO₂ + Si → SiO₂ + Mn

г) TiCl₄ + Mg → MgCl₂ + Ti

9. Методом электронного баланса подберите коэффициенты в схеме окислительно-восстановительной реакции:

NaI + NaIO₃ + H₂SО₄ → I₂ + Na₂SO₄ + H₂O

Полученное уравнение перепишите в ионной и сокращенной ионной формах.

10. Методом электронного баланса подберите коэффициенты в схемах следующих окислительно-восстановительных реакций:

а) Na₂S₂O₃ + Br₂ + NaOH → NaBr + Na₂SO₄

б) Mn(NO₃)₂ + NaBiO₃ + НNO₃ → HMnO₄ + BiONO₃ + NaNO₃ + H₂O

в) Cr₂O₃ + Br₂ + NaОН → Na₂CrO₄ + NaBr + H₂O

г) НCl + KMnO₄ → MnCl₂ + Cl₂ + KCl + H₂O

д) КBr + KMnO₄ + H₂SО₄ → Br₂ + MnSО₄ + K₂SО₄ + H₂O

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа. - 2001.

Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. Учебное пособие для вузов. - М.: Химия, 2000.

Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. – М.: Высшая школа, 2000.

Аликберова Л.Ю., Лидин Р.А., Молочко В.А., Логинова Г.П. Практикум по общей и неорганической химии. – М.: ВЛАДОС. – 2004.

Лидин Р.А., Молочко В.А. Задачи по общей и неорганической химии - М.:ВЛАДОС. -2004.

Воскресенский П.И. Техника лабораторных работ. М.: Химия. - 1973.

Практикум по неорганической химии: Учебн. Пособие для студентов пед. Ин-тов (под ред. Бабич Л.В., Балезина С.А., Гликиной Ф.Б. и др). – М.: Просвящение. – 1991. – 320с.

Орлин Н. А., Кузурман В. А. Общая и неорганическая химия: Учеб. пособие. Ч.1/ Владим. гос. у-нт, Владимир, 2002. – 95 с.

Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник: Справ. изд. – 2-е изд., испр. и доп. – Л.: Химия, 1978. – 392 с.

Лидин Р. А., Андреева Л. Л., Молочко В. А. Справочник по неорганической химии. Константы неорганических веществ. – М.: Химия, 1987. – 320 с.

Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1989. – 448 с.

Слета Л. А. Химия: Справ. – Харьков: Фолио; Ростов н/Д: Феникс, 1997. – 496 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица растворимости некоторых неорганических соединений

Ионы

Br-

CH3COO-

CN-

CO32-

Cl-

F-

I-

NO3-

OH-

PO43-

S2-

SO42-

Ag+

н

м

н

н

н

р

н

р

-

н

н

м

Al3+

р

+

?

-

р

м

р

р

н

н

+

р

Ba2+

р

р

р

н

р

м

р

р

р

н

р

н

Be2+

р

+

?

+

р

р

р

р

н

н

+

р

Ca2+

р

р

р

н

р

н

р

р

м

н

м

м

Cd2+

р

р

м

+

р

р

р

р

н

н

н

р

Co2+

р

р

н

+

р

р

р

р

н

н

н

р

Cr3+

р

+

н

-

р

м

н

р

н

н

+

р

Cs+

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

Cu2+

р

р

н

+

р

р

-

р

н

н

н

р

Fe2+

р

р

н

+

р

м

р

р

н

н

н

р

Fe3+

р

-

-

-

р

н

-

р

н

н

-

р

Hg2+

м

р

р

-

р

+

н

+

-

н

н

+

Hg22+

н

м

-

н

н

м

н

+

-

н

-

н

K+

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

Li+

р

р

р

р

р

н

р

р

р

м

р

р

Mg2+

р

р

р

м

р

н

р

р

н

н

н

р

Mn2+

р

р

н

+

р

р

р

р

н

н

н

р

NH4+

р

р

р

р

р

р

р

р

р

-

+

р

Na+

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

Ni2+

р

р

н

+

р

р

р

р

н

н

н

р

Pb2+

м

р

н

+

м

м

м

р

н

н

н

н

Rb+

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

р

Sn2+

+

+

-

-

+

м

м

+

н

н

н

р

Sr2+

р

р

р

н

р

р

р

р

м

н

р

н

Tl+

м

р

р

р

м

н

н

р

р

м

н

м

Zn2+

р

р

н

+

р

р

р

р

н

н

н

р

Обозначения: р - хорошо растворимый, м - малорастворимый, н - практически нерастворимый, + - полностью реагирует с водой или не осаждается из водного раствора, – - не существует, ? - данные о растворимости отсутствуют.