121

Лекция № 25-28. Окислительно-восстановительные и электрохимические процессы

План

1. Окислители и восстановители.

2. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.

3. Типы окислительно-восстановительных реакций.

4. Электрохимические процессы. Механизм возникновения электродного потенциала.

5. Гальванический элемент Якоби – Даниэля.

6. Электродвижущая сила (ЭДС).

7. Измерение электродных потенциалов. Стандартный водородный электрод.

8. Потенциалы металлических и газовых электродов. Уравнение Нернста.

9. Окислительно-восстановительные электроды. Направление самопроизвольного протекания окислительно-восстановительных реакций.

10. Значение окислительно-восстановительных процессов в биологии и медицине

11. Потенциометрические методы анализа.

Окислительно-восстановительными называют реакции, в ходе которых происходит изменение степеней окисления элементов. Они состоят из двух взаимосвязанных процессов: окисления и восстановления.

Окисление – это процесс отдачи электронов. Вещество, которое отдает электроны и окисляется, является восстановителем.

Восстановление – это процесс присоединения электронов. Вещество, которое присоединяет электроны и восстанавливается, является окислителем.

Например, в реакции:

2Fe⁺³Cl₃ + Sn⁺²Cl₂ = 2Fe⁺²Cl₂ + Sn⁺⁴Cl₄

происходит восстановление ионов железа

Fe³⁺ + е = Fe²⁺

и окисление ионов олова

Sn²⁺ - 2е = Sn⁴⁺

FeCl₃ – окислитель; SnCl₂ – восстановитель.

1. Окислители и восстановители

Элементы, находящиеся в высшей степени окисления (H₂S⁺⁶O₄, HN⁺⁵O₃, KMn⁺⁷O₄), способны лишь присоединять электроны и поэтому могут быть только окислителями.

Элементы в низших степенях окисления (Na2s-2,ki-1) проявляют только восстановительные свойства, так как не способны присоединять электроны.

Элементы в промежуточных степенях окисления (NaN⁺³O₂, Н₂О₂^-1) проявляют окислительно-восстановительную двойственность.

Наиболее важными группами окислителей являются следующие.

1. Простые вещества, атомы которых обладают высокой электроотрицательностью: О₂,F₂,Cl₂.

Восстанавливаются эти окислители до низших отрицательных степеней окисления:

Hal₂ + 2e = 2Hal^-

O₂+ 4H⁺ + 4e = 2H₂O

2. Кислородсодержащие кислоты и их соли, содержащие элементы преимущественно в высших степенях окисления: H₂SO₄HNO₃,KMnO₄,K₂Cr₂O₇,KClO₃,NaClO.

Состав продуктов восстановления зависит от природы восстановителя, концентрации растворов и рН среды. Как правило, с увеличением кислотности среды и концентрации окислителя окислительная способность возрастает.

Перманганат калия восстанавливается до различных степеней окисления в зависимости от рН среды:

в кислой среде: MnO₄^-+ 8H⁺+ 5e=Mn²⁺+ 4H₂O

в нейтральной среде: MnO₄^-+ 2H₂O+ 3e=MnO₂+ 4OH^-

в щелочной среде: MnO₄^-+e=MnO₄^2-

Влияние среды на характер реакции проявляется и в том, что некоторые элементы в одной и той же степени окисления в разных средах образуют разные формы. Например, соединения хрома (VI) восстанавливаются в соединения хрома (III). При этом в кислой среде бихромат калия восстанавливается до инонаCr³⁺:

Cr₂O₇^2-+ 14H⁺+ 6e= 2Cr³⁺+ 7H₂O,

а в щелочной среде происходит восстановление хромат-аниона с образованием гидроксокомплеса хрома (III):

CrO₄^2- + 4H₂O + 3e = [Cr(OH)₆[^3- + 2OH^-

Галогенаты и гипогалогениты восстанавливаются преимущественнно до Hal^-1, иногда (в случае иода) образуются свободные галогены.

3. Cоединения, содержащие ионы водорода Н⁺и ионы металлов в высших степенях окисления (Fe³⁺,Cu²⁺,Ce⁴⁺,PbO₂).

Восстановление происходит до более низких степеней окисления:

Fe³⁺ + e = Fe²⁺

PbO₂ + 4H⁺ + 2e = Pb²⁺ + 4H₂O

К наиболее важным группам восстановителей относятся:

1. Простые вещества, состоящие из атомов с низкой электроотрицательностью: металлы IAиIIAгрупп,Zn,Fe,Sn,Al, а также некоторые неметаллы: С,Si,P,H₂.

2. Бескислородные кислоты и их соли, содержащие элементы в низших степенях окисления: H₂S,Na₂S,HI,KI.

Продуктами окисления чаще всего являются простые вещества: S,Hal₂.

Возможно и более глубокое окисление:

I^- + 6OH^- - 6e = IO₃^- + 3H₂O

S^2- + 8OH^- - 8e = SO₄^2- + 4H₂O

3. Ионы металлов в низких степенях окисления (Fe²⁺,Sn²⁺,Ti³⁺)

Окисляются до высших степеней окисления.

Окислительно-восстановительную двойственность могут проявлять любые соединения, содержащие элементы в промежуточных степенях окисления. Однако на практике большинство из них проявляют преимущественно либо свойства восстановителей (Na₂SO₃,SnCl₂), либо свойства окислителей (I₂,MnO₂). К соединениям, окислительные и восстановительные свойства которых проявляются одинаково часто, относятся азотистая кислота и нитриты, а также перекись водорода.

2NaNO₂ + 2NaI + 2H₂SO₄ = 2NO + I₂ + 2Na₂SO₄ + 2H₂O

NaNO₂ - окислитель

5HNO₂ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5HNO₃ +2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

HNO₂– восстановитель

H₂O₂+ 2HI=I₂+ 2H₂O

H₂O₂ – окислитель

3H₂O₂ + 2KMnO₄ = 2MnO₂ + 3O₂ + 2KOH + 2H₂O

H₂O₂– восстановитель.