Работа 10. Окислительно-восстановительные реакции.

Цель работы - ознакомление с окислительно-восстановительными свойствами металлов, неметаллов и их соединений, освоение методи­ки составления уравнений окислительно-восстановительных процессов.

Реакции, протекания которых связано со смещением или полным пере­ходом электронов от одних атомов к другим, называют окислительно-восстановительными.

Число электронов, смещенных от атома (иона) данного элемента или к атому (иону) данного элемента в соединении, называют степенью окис­ления. Степень окисления может быть положительной (электроны смещены от атома или иона) и отрицательной (электроны сменены к атому или иону).

Процесс отдачи электронов, т.е. повышения степени окисления эле­мента, называют окислением, а вещества, отдающие электроны - восстано­вителями. К типичным восстановителям относятся простые вещества, атомы которых характеризуются невысокой электроотрицательностью (металлы, водород, углерод), некоторые анионы (,,и др.); катионы, у которых степень окисления может возрастать (,и др.).

Процесс присоединения электронов, т.е. понижения степени окисле­ния, называют восстановлением, а вещества, принимающее электроны, на­зывают окислителями. К типичным окислителям относятся простые вещест­ва, атомы которых характеризуются высокой электроотрицательностью (элементы VI и VII групп главных подгрупп), катионы с высокой степенью окисления (,,), анионы, в которых электроположительный элемент имеет высокую степень окисления (,, ), высшие оксиды, а также пероксиды.

Окислительно-восстановительные реакции - это одновременно проте­кающие процессы окисления и восстановления. Реакции, в которых окисли­тели и восстановители представляют собой разные вещества, называют межмолекулярными. Если окислителями и восстановителями служат атомы или ионы одной и той же молекулы, то такие реакции называют внутримолекулярными.

Составление окислительно-восстановительных реакций требует стро­гого соблюдения правил, изложенных в данном разделе, что поможет нап­исать любую окислительно-восстановительную реакцию. Для этого сущест­вуют два метода электронного баланса и ионно-электронной полуреакции. Первый может пригодиться только тогда, когда известны все продук­ты реакции и исходные вещества, при этом основное правило - установить степени окисления элементов, которые в результате реакции из­менили свою степень окисления, а затем для этих элементов записать уравнение электронного баланса, расставить коэффициенты в уравнении реакции и по кислороду проверить правильность написания уравнения.

Пример:

1. Установим степени окисления у всех элементов:

видно, что степень окисления изменили два элемента - железо и марга­нец. Составим для них уравнение электронного баланса:

расставим коэффициенты около окислителя и восстановителя:

а теперь методом "пинг-понга" устанавливаются последовательно коэффи­циенты в левой и правой части у всех остальных элементов так, чтобы последним уравнивался водород.

Справа и слева имеется по 80 атомов кислорода, следовательно, коэффи­циенты в уравнении расставлены правильно.

Метод полуреакций, или ионно-электронный, применяется только в том случае, когда неизвестны все вещества, входящие в уравнение. Этот метод решения окислительно-восстановительных реакций намного мощнее метода электронного баланса, он позволяет написать продукты и расста­вить коэффициенты в реакции, если известны только исходные вещества и среда, в которой происходит реакция.

Последовательность действий при написании окислительно-восстановительных реакций ионно-электронным методом следующая:

1. необходимо установить, какое вещество восстановитель, а какое окислитель;

2. в соответствии с ниже приведенными схемами записываются полуреакции (в ионном виде) с окислителями и восстановителями. Заряд в этих реакциях уравнивается прибавлением или отниманием электронов в левой части уравнения, необходимо при этом учесть, что:

   1. окислитель превращается в ион с низшей степенью окисления;

   2. восстановитель превращается в соединение с высшей степенью окисления;

      3. находится число, равное наименьшему общему кратному между числом электронов в полуреакциях окисления и восстановления;

      4. полуреакции складываются;

      5. записывается уравнение из противоионов для левой части и такое же уравнение для правой части;

      6. записывается суммарное молекулярное уравнение реакции.

Схемы для ионно-электронного метода (полуреакций)

1. Если в исходных веществах больше кислорода, то в продуктах ре­акций на каждый атом кислорода имеем:

в кислой среде молекулу воды

в щелочной' и нейтральной среде – гидроксогруппу

2. Если в исходных веществах меньше кислорода, то в продуктах на каждый атом кислорода имеем:

в кислых и нейтральных средах

в щелочной среде

3. Превращение, аниона перманганата в окислительно-восстановительных процессах:

4. Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами:

5. Превращения бихромат - иона в окислительно-восстановительных процессах:

Из неметалла образуется кислота с высшей степенью окисле­ния неметалла.

Разберем принцип написания окислительно-восстановительных реакций ионно-электронным методом на следующем примере:

Окислителем может быть только бихромат калия, т.к. в этом соединении он имеет высшую степень окисления +6. добавлена для создания кислой среды, следовательно, восстановителем является ион тиоцианата, в котором каждый элемент является восстановителем.

Запишем реакцию окисления восстановителя в ионном виде:

(углерод превращается в , как этого требует правило превращения восстановителя в анион высшей степени окисления элемента). В кислой среде недостаток кислорода в исходном веществе требует добавления к левой части уравнения воды:

уравновесим заряд (добавили, т.к. необходимо в левую часть прибавить 7 атомов кислорода)

Запишем процесс восстановления окислителя, воспользовавшись вышеприведенной схемой:

В исходном веществе больше кислорода, среда кислая, следовательно, к свой части необходимо добавить - протоны:

уравновесим заряд

и в результате получим

после сложения получим ионное уравнение:

после удаления молекул воды и протонов водорода получим:

Напишем уравнение из противоионов:

Суммарное уравнение в молекулярном виде

Обратите внимание, что один из продуктов реакции () может реагировать с серной кислотой, которую обычно добавляют в избытке:

но, так как в реакции получилось 6-молекул карбоната калия, то послед­нее уравнение необходимо умножить на 6 и эти два уравнения сложить в результате получим:

Приведем одинаковые вещества под один коэффициент:

Экспериментальная часть.

ОПЫТ 1. Окисление алюминия ионами водорода

Внесите кусочек алюминия в 2Н раствор . Наблюдайте окисления и составьте уравнение происходящей окислительно-восстановительной реак­ции. Дайте сравнительную характеристику окислительно-восстановительных свойств атомов и ионов алюминия и водорода.

ОПЫТ 2. Окисление катиона железа (II) хлором.

Налейте в пробирку 5-6 капель свежеприготовленного раствора соли железа (II) и прибавьте две капли хлорной воды. Содержимое пробирки взболтайте и прибавьте в нее 1-2 капли раствора или . Окра­шивание раствора в красный цвет свидетельствует об окислении ионов в. Составьте электронно-ионное уравнение реакции окисления и восстановления.

ОПЫТ 3. Окисление иодид - ионов ионами железа (III).

В пробирку налейте 5-6 капель раствора железа (III) и одну каплю раствора или. Содержимое пробирки разбавьте дистиллированной водою до слабо-желтого цвета и введите 1-2 капли раствора крахмала. Появление синей окраски свидетельствует о наличии в растворе свободного иода. Реакция выражается схемой:

Составьте электронно-ионное уравнение процессов окисления и восстановления и уравнение реакции.

ОПЫТ 4. Окисление гидроокиси (II) перекисью водорода.

Налейте в пробирку 3-4 мл свежеприготовленного раствора соли железа (или) и прибавьте к нему 2-3 мл раствора щелочи (или). Заметьте цвет осадка. Когда гидроокись железа сядет на дно пробирки, осторожно слейте жидкости прибавьте 1-2 капли Раствора. Наблюдайте изменение осадка. Реакция выражается схемой:

Составьте, электронно-ионное уравнение процессов окисления и восстановления и уравнение реакции.

ОПЫТ 5. Окисление ионов перекисью водорода.

В пробирку налейте 5-6 капель раствора соли хрома (,) и прибавляйте по каплям 6Н раствор щелочи (или) до тех пор, пока первоначально выпавший осадокполностью растворится в результате образования хромита. Отметьте цвет раствора. К полученному раствору хромита добавьте несколько капель раствораи слегка нагрейте раствор. Переход зеленого цвета в желтый свидетельствует о появлении в растворе ионов.

Реакция может быть выражена суммарной схемой:

Составьте электронно-ионные уравнения процессов окисления и восс­тановления и уравнение реакции.

ОПЫТ 6. Окисление ионами.

В пробирку налейте 5-6 капель раствора перманганата калия и только же 2Н раствора серной кислоты. Затем пипеткой по каплям приливайте свежеприготовленный раствор соли железа (II) до полного обесцвечивания раствора. Обесцвечивание раствора свидетельствует о восстановлении ионов в ионы. В обесцвеченный раствор добавьте несколько капель раствораилии убедитесь, что ионыокислились в ионы. Реакция выражается схемой:

Составьте электронно-ионное уравнение процессов окисления и восс­тановления и уравнение реакции.

ОПЫТ 7. Реакции внутримолекулярного окисления и восстановления.

Положите в пробирку такое количество , чтобы оно покрыло ее дно, и нагрейте, пока с помощью тлеющей лучинки не определите выделе­ние кислорода. Составьте электронно-ионное уравнение процессов окисле­ния и восстановления и уравнение реакции, зная, что в результате реак­ции образовывается молекулярный кислород, диоксид марганца и манганат калия.

Контрольные вопросы и задачи

1. Чем отличается реакция окисления-восстановления от других реакций?

2. Какие вещества называются окислителями, а какие - восстановителями?

3. В каких группах периодической системы элементов Менделеев расположены элементы с ярко выраженными окислительными свойствами?

4. Как изменяется окислительное число окислителя и восстановителе в результате окисления-восстановления?

5. Какой из галогенов является самым сильным окислителем: фтор, хлор, бром, иод?

6. Как изменяется электроотрицательность элементов в главных группах и в периодах?

7. Окислительные или восстановительные свойства проявляют следующие частицы: ? Приведите примеры реакций.

8. Каковы окислительно-восстановительные свойства воды? Составьте ионно-молекулярные уравнения для воды как окислителя и как восстановителя.

9. В чем заключается метод электронного баланса?

10. Как составить реакцию окисления-восстановления с помощью ме­тода полуреакций?