ОВР.Методичка и теория
.pdfфедералыlеe arCllTCТBo по образоваНIIЮ
Московская I осудаРСТВСllllая академия ТОllКОЙ химической теХllОЛОГlII1
I\мени М. В. Ломоносова
Кафсдра IIСОРГЗШlчсскоJ1 ХIIIШIII
Сороюща о.д
ГШlакпmОIl08 lо.п.
Игuаmова н.н.
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
У'lсбllо-методи'lССКОС пособие
ИЩ31111С ВТОРОС, ДОПОЛIIСIllIOС, IIспраВЛСllllOС
www.mitht.ru/e-library
Рецеllзеllm: профессор "lихаiiлов В.А.
Доц. Сорокииа 0.8., доц. Галактиоиов Ю.П., доц. Игнатова Н.Н. Окислитenьно-восстановитenьные реакции. Учебно-методическое пособие. - М.: МИТХТ, 2005, 66 с.
Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной
работы студентов первого курса по дисциплине «Неоргаllическая химия»,
а также для студентов третьего и четвертого курса бакалавриата по направлению <<химия». Содержит теоретический материал и задачи для
самостоятельноro решения по теме «окислитenьно-восстановитenЫfые
реакции»; составлено в ПО..1If(.·••• ,:оответствии с . 'чеб!""'Й программоЙ.
Подготовлено ;ш кафе). p'~ несрганическоА ХИМIШ м:г ХТ им. М. В. Ломоносова.
www.mitht.ru/e-library
3
ОглавлеНllе
1. |
Введение |
4 |
2.Общие положения теории окислителыю-
восстановительных реакций |
5 |
|
3. |
ВажнеЙШllе окислители и восстановители |
8 |
4.Методы составлеJШЯ уравнений ОКIIСЛlIтелыю-
восстановительных реакций |
11 |
||
|
4.1. |
Метод электронного баланса |
12 |
|
4.2. |
Метод элеКТРОННО-IIO/IIЮГО баланса |
14 |
|
|
4.2.1. Роль воды и ее составных 'laстей (ОН- и |
|
|
|
НзО+) в реакциях окисления 11 восстановления |
17 |
5. |
ТIIПЫ ОКlIСЛlпельно-восстаНОВlIтельнЪIХ реакций |
18 |
6.Направление протекания ОКИСЛlIтелЪlЮ-
восстановительных реакций |
19 |
6.1.Стандартные окlIслителыo-восстановительвыЪ e
потенциалы |
19 |
6.2.Критерии протекания окислительно-
|
восстановительных реакций |
28 |
|
|
6.3. |
Влияние концентрации реагентов и кислотности |
|
|
среды на направление и глубину |
протекания |
|
|
ОКlIСЛlпельно-восстановительных реакций. YpaBHeHlle |
||
|
IlepHcтa |
33 |
|
|
6.4. |
Об устойчивости воды к действию окислителей |
|
|
11 восстаноuителей |
39 |
|
|
6.5. ДllаГР<1ММЫ Латимера и Фроста |
41 |
|
7. |
ДllаГР<1ММЫ Пурбе |
47 |
|
8. |
Вопросы и упражнения |
54 |
|
9. |
Список литературь," |
65 |
www.mitht.ru/e-library
4
1. Введеllие
окислительно-восстаllовителыlеe реакции - это преобладающее
звено химических процессов в неорганической химии. Реакций.
протекающих без изменения· степени окисления ~ участнико~.
несравнимо меньше чем окислительно-восстановшельных.
Окислнтельно-восстановительные процессы повседнеВIIО
сопровождают нас и вообще являются основой нашей жизни. Без них не обходится ни одио промышленное производство. Каждый вздох
сопровождается сложными окислительно-восстановительными
процессами. ИмеНIIО поэтому очень важно изучение этой темы.
В данной методической разработке рассматриваются все типы окислительно-восстановительных реакций. рассмотрены методы составления уравнений окислнтельно-восстановшельных реакций
(электронный и электроно-ионный баланс). критерии определения
направления окислительно-востановительных реакций и зависимость
осуществления окислшельно-восстановительных реакций от условий (рН и концентрации исходных веществ и продуктов). Цель данной
методической разработки - быть подспорьем В обучеllИИ студентов I
курса МИТХТ им. М. В. Ломоносова. Также в задачи составшелей
входило объяснение .окислительно-восстановителыlхx свойств
конкретных веществ. Теоретический материал сопровождается
рассмотрением примеров. встречающихся в учебном курсе, представлены
справочные материалы.
www.mitht.ru/e-library
s
2. Общие положеllllИ теОРИl1 ОКИСЛИТСЛLlIО
восстаllOвителЫIЫХ реакций.
ХlI.lllUчеСl\ие реаКЦIIII, где имеет .11lесто 06.111е" 'JлеЮllРОIUUIU
.11lежду атО.lllшtи одllого или lIесколькux оещесто, lIазыоаюmся
окllслительllо-восстаllооителыll.Jllии (ОВР), о ходе которых стеnеllи ОКllслеllия (СО) antO.llIOO, входящux о COClllao реагирующих чаСIIIIII(.
IIЗ.lllеIlЯIО/llСЯ.
Clllellellb ОКllслеllllН (СО) - фОР.lllалЬ1l6l'; заряд, KOIIIOP6l'; .llIOJ/(/IO IIpllllllcalll6 alllo.tly, входНЩe.JIlУ о COClllaB каКОЙ-ЛIl60 чаСIIIIII(61, СЧllltlая всеXII.IIIII'leCKlle соязи в lIе'; 110111161.11111.
Другими словами, под степенью окисления подразумевается
условный заряд, который возник бы на атоме. если бы связующие электронные пары были бы полностью смещены к более
элеКТрОО1рицатt:льному атому, а общие элеК1рОНllые пары атомов с
одинаковой элеКТРОО1рицательностыо были бы разделены между III1МII
поровну. Степени окисления принято обозначать арабскими ИЛJl
римскими цифрами с указанием перед ними знака заряда "+" или "-" над символом элемента или в скобках рядом с ним. Напомним, что заряд иона
обозна'Jают верхним индексом справа только арабской цифрой с указанием знака "+" ИЛИ "-" после нее.
Правиларасчеlllа СО:
1.
2.
Сумма СО всех атомов в частице равна заряду этой частицы.
В простых веществах СО каждого атома равна О.
3.Атомам более элеКТРОО1рицательных элементов в бинарных
соединениях соответствуют 01рицательные СО.
4.При определении СО элементов в сложных соединениях удобно пользоваться таблицей 1 в последовательности возрастания
порядкового номера С1роки.
ТаБЛlllta 1. характерные степени окислени" дп" некоторых элементов.
|
К!,,,,, |
|
Элемент |
СО |
|
|
1 |
Щело'~ные металлы |
+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Ве, M~, Са, Sr, Ва, Zn, Cd |
+2 |
|
|
|
3 |
F |
-1 |
|
|
|
4 |
Н |
+1, -1 |
|
|
|
5 |
О |
-2, -1, О, +1, +2 |
||
|
6 |
В, AI, Ga, In, Sc, У, La |
+3 |
|
|
|
7 |
CI,Br_ |
-1, О, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7 |
||
|
8 |
Атомы остальных эл-тов |
СО = Зарядчастuцы- LU38ecmllblX СО |
||
|
|
|
|
|
|
www.mitht.ru/e-library
6
Максимальная положительная или отрицательная степени
окисления атома в соединениях определяются его положеJlием в
периодической системе.
5. Максимальная СО в большинстве случаев равна номеру
группы, к которой принадлежит элемент.
6. Минимальная СО металлов равна О, неметаллов - N~rpупп..-8...
СО - формальная веЛllчина. Абсолютная величина зарядов атомов
редко превышает 2.
Механизм протекаJlИЯ окислительно-восстановительных реакций
является сложным и разнообразным, а для многих - он пока не установлен. Тем не менее, для окислительно-восстановительных реакций
общим является тот факт, что все они сопровождаJОТСЯ части'шым ИЛII
полным переносом электронов от одного атома к другому.
Разберём несколько примеров:
Горение металлического натрия в атмосфере дихлора приводит к
образованию хлорида натрия:
2Na + CI2 = 2NaCI
в хлориде натрия связь между атомами хлора Jf натрия является
ионной, следовательно, реакция его образования сопровождается ПОЛНЫМ
переносом электронов от атомов натрия к атомам хлора, что можно
представить следующими уравнениями:
2Na - 2ё = 2Na+ 11 CI2 + 2ё = 2СГ 1
2Na + Clz - 2Na+ + 2СГ- 2NaCl
Взаимодействие хлорида железа (Ill) и иодида калия также
сопровождается переносом электронов от анионов иода (Г) к катионам
Fe3+:
2FеСlз + 2КI = 2FeCl2+ 12 + 2КСl
2Г-2ё= 12 1 2 Fe3+ + lё = Fe2+ 1
В реакции окисления углерода кислородом атомы углерода не отдают свои валеНПJые электроны атомам кислорода. Происходит лишь
смещение валентных электронов атома углерода J( атомам кислорода ка)(
более электроотрицательным.
www.mitht.ru/e-library
7
Тем не менее, эту реакцию можно рассматривать как окислительно
восстановительную с переходом электронов от атомов углерода к атомам
кислорода:
СО _4ё=с+IV
020 + 4ё = 20-11
С+02 =С02
Окислительно-восстановительные (Red-Ox) реакции включают в себя одновременно 2 процесса: отдачу и принятие электронов. Процесс
отдачи электронов называется окислением, а вещество, атомы которого
отдают электроны, называется восстановителем. Обратный процесс -
принятие электронов называется - восстановлением (Red), а вещество,
атомы которого принимают электроны, называется окислителем (Ох). Главная особенность ОВР - конкуренция за электроны между
окислителем и восстановителем.
Принятие и отдача электронов в окислительно-восстановительных
реакциях представляют два взаимосвязанных процесса, Т.е.
восстановление окислителя одновременно сопровождается окислением
восстановителя.
Вышесказанное поясним следующими примерами:
1. Процессы окисления:
Восстановитель |
|
Na-ё=Nа+ |
(окисленная форма, |
|
(восстановленная форма) |
ОКНCЛIетса |
|
потенциальный окислитель) |
|
|
|
|||
Восстановитель |
|
C-4ё=с+IV |
(окисленная форма, |
|
(восстановленная форма) |
окиc.uen:а |
|
потенциальный окислитель) |
|
|
|
|||
Восстановитель |
|
2Г -2ё= 12 |
(окисленная форма, |
|
(восстановленная форма) |
окиc,uстс. |
|
потенциальный окислитель) |
|
|
|
|||
2. Процессы восстановления |
|
|
||
Окислитель |
Cl2+ 2ё = 2CI- |
|
(восстановленная форма, |
|
(окисленная форма) |
|
еосстанамнеастс. |
потенциальный восстановитель) |
|
Окислитель |
|
FеЗ+ + ё = Fe2+ |
|
(восстановленная форма, |
(окисленная форма) |
|
еосСТ8намнваетс. |
потенциальный восстановитель) |
|
Окислитель |
02 + 4ё = 20-11 |
|
(восстановленная форма, |
|
(окисленная форма) |
|
еосСТ8намиеастс. |
потенциальный восстановитель) |
www.mitht.ru/e-library
8
Окислитель (окисленная форма) и соответствующая ему
восстановленная форма образуют вместе сопряж~нную окислителыlO
восстановительную пару, например Na+lNa, CI I2Cl-, Fe3+/Fe2+, 12121-. 2
Таким образом, выше рассмотренные примеры процессов окисления
и восстановления можно представить в виде обмена электронами
сопряженных окислительно-восстановительных пар (таблица 2)," а
уравнения, описывающие эти процессы, называются уравнениями
полуреакЦhЙ.
1jаб>Ruua 2 СОПРJlженные окислитenьно-восстановительные пары
|
|
Окисленная форма |
|
Восстановленная форма |
Nа++ё |
= Nao |
|||
CI2 +2ё |
= |
2СГ |
||
Fe~' |
+ё |
= |
Fe"+ |
|
02 |
+4ё |
= 20-11 |
||
12 +2ё |
= |
2Г |
||
C+1V +4ё |
= |
С |
3. Важнейшие окислители и восстаllовители.
Окислительную или восстановительную способность простых веществ можно оценить, исходя из положения элемента в периодической
системе.
Известно, что электроотрицательность химических элементов в
периодах возрастает слева направо, а в rpуппах снизу вверх. С такой же
закономерностью меняются в rpуппах' неметаллические свойства
химических элементов, а металлические - в обратном порядке (таблица З).
Таблuuа 3. ЭлеКТРОО1рицатenьноС1Ъ s- и Р-элементов в нулевой степени
|
окисленИJI |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IA |
lIA |
ПIA |
NA |
VA |
VIД |
VlIA |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
U |
ве |
в |
с |
N |
О |
F |
||
|
|||||||||
|
0,97 |
1,47 |
2,01 |
2,05 |
3,07 |
3,50 |
4,10 |
|
|
|
Na |
Mg |
АI |
51 |
Р |
5 |
а |
||
|
1,01 |
1,23 |
1,47 |
1,74 |
2,10 |
2,60 |
2,83 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
К |
са |
Ga |
Ge |
As |
se |
8г |
||
|
0,91 |
1,04 |
1,82 |
2,02 |
2,20 |
2,48 |
2,47 |
|
|
|
Rb |
Sr |
In |
5п |
Sb |
Те |
I |
||
|
0,89 |
0,99 |
1,49 |
1,72 |
1,82 |
2,01 |
2,21 |
|
|
|
cs |
ва |
ТI |
РЬ |
81 |
Ро |
At |
||
|
0,86 |
0,97 |
1,44 |
1,55 |
1,67 |
1,76 |
1,90 |
|
v
Увеличение окислительных С80ИСТ8
www.mitht.ru/e-library
9
Если простое вещество образовано из атомов элемента с высокой
электроотрицательностью, то от Hero следует ожидать проявления
окислительных свойств (атомы высокоэлектроотрицательноro элемента
имеют тенденцию принимать полностью или частично электроны на свой
валентный подуровень).
Простое вещество, образованное из атомов элемента с низкой электроотрицательностью, проявляет восстановительные свойства (атомы
Шlзкоэлектроотрицательноro элемента имеют тенденцию отдавать
полностью или частично свои валентные электроны). Следовательно, просты e вещества самых электроотрицательных элементов: дифтор,
дикислород, дихлор должны иметь сильно выраженные окислнтельные
свойства, а просты e вещества - щелочные и щелочноземельные металлы - сильно выраженные восстановительные свойства.
просты e |
вещества MHomx |
элементов - |
неметаллов - могут |
проявлять как окислительные, так JI восстановнтельные свойства в |
|||
зависимости |
от условий проведения реакции |
и окислительно |
восстановительных свойств друroго участника реакции (другого реагента).
Так, водород в реакциях с галогенами, кислородом и др.
неметаллами ВЫС1)'пает в качестве восстановителя: H2+CI2=2HCI, а в
реакциях с металлами ВЫС1)'пает в качестве окислителя: 2Li+H2= 2LiH .
Для прогнозирования окислительно-восстановительных свойств
сложных веществ полезно знать степени окислеllИЯ элементов, входящих
в их состав. Степени окисления принято обозначать римскими цифрами с
указанием перед ними знака «+» или «-» над символом элемента в
.у
формуле, например, ННО) , ИЛИ В скобках после символа элемента,
например, N(+V).
Предска1анuе окuслuтел6Нo-lJосстановuтел6Н6IХ свойств
СЛОJltН61X BezцecmBHe всегда"росто и однозначно.
Можно ожидать проявления окислительных свойств для сложных
веществ, если в их составе имеется элемент в высокой степени окисления: |
|||
НNO) (N+v), НСIO) (CI+v), H S0 |
(конц.) (S+VI), K Cr 07 (Cr+V1), КМn04 |
||
2 |
4 |
2 |
2 |
(Мn+VII), а восстановительных - |
если в их составе |
имеется элемент в |
низкой степени окисления: HzS (S-II), НСI (СГ), НI (Г), NНз (WIII).
Вещества, которые содержат активный элемент в высшей степеJlИ окисления, спосоБJlЫ проявлять только окислительные свойства, как , lIапример, азотная кислота, содержащая азот (+У), ИЛI. перманrallат калия,
в котором содержится марrзнец (+VII).
Если частицы вещества содержат активный элемент в низшей
степени окисления, вещество проявляет свойства восстановителя, lIапример, H2S, содержащий серу в низшей степени окисления, или
аммиак NНз за счетазота(-Ш).
www.mitht.ru/e-library
10
Вещества, частицы которых содержа... элемент в промежуточноii
стеllени окисления, MOIYf проявлять как окислителыlе,, так It
восстаllОВlIтельные свойства, в зависимости от условиii проведеllИЯ
реакции и окислительно-восстановительных свойств второго участника
реакции. Например, пероксид водорода Н2О2 в реакции с сероводородом
будет окислителем, восстановится до воды: Н2О2 + H2S = S + 2Н2О,-а в
реакции с перманганатом калия вынужден Becm себя как восстановитель, окисляясь до 02:
в зависимости от степени окисления элемента, степень окисления
которого меняется в процессе окислительно-восстановительной реакции,
сложные соединения можно разделить на три группы:
1) вещества, проявляющие только окислительные свойства (наличие в них элемента в высшей степени окисления: КМп04'
К2СС2О7, H2S04,НNO), РЬ02)
2) вещества, проявляющие только восстановительные свопства (наличие в них элемента в низшей степени окисления: H2S, HI, KI,
КВс, NH)
З) вещества, npоявляющие как окислительные, так и восстановительные свойства (наличие в них элемента в промежуточной степени окисления: Н2О2, S02, KN02, И др.)
Наиболее часто встреЧaJOщиеся в практике окислители,
восстановители и вещества с двойственной окислителыfO-
восстановительной природой приведены в таблице 4.
116а .'lIUJLQ 48• ажнеliшие ОJCIIC/Jитenи и восстановители.
Только |
Окислительиые и |
Только |
||
окислительиые |
восстаиовительиые |
восстаиовительиые |
||
свойства (высшая |
свойства (промежуточная |
свойства (низшая |
||
степень окисления) |
степень окисления) |
степень окисления) |
||
F ,02 |
C1 , ВС2, 12 |
металлы |
||
2 |
|
2 |
|
|
HNO) |
НСЮ,НСЮ) |
HCI, хлориды |
||
Н2SО4(конц) |
H2~,Mn02 |
НВr,бшмиды |
||
Мп04' |
НN~,N02' |
НI,иодиды |
||
СС207'" |
Н2,СО |
H2S, сульфиды |
||
РЬ02 |
S02, SO),,· |
NH), соли аммония |
||
Н)О+ |
|
|
||
|
|
|
|
|
Ag+ |
|
|
Следует отметить, что разлИЧaJOт еще так иазываемые ''типичные'' окислители и восстановители. К типичным окислителям оmосят наиболее часто примеияемые сильные окислители, при этом акmвный элемент
может быть не в высшей степени окисления, например, Н2О2, Cl2, ВС2, 12.
www.mitht.ru/e-library