Лабораторная работа № 2. Окислительно-восстановительные реакции

Цель работы:

Освоить методику проведения окислительно-восстановительных реакций. Отметить зависимость продуктов данного вида реакций от условий их протекания.

Основные понятия.

Степень окисления. Степень окисления элемента в простых и сложных веществах. Окислительно-восстановительные реакции и их отличие от реакций ионного обмена. Процесс окисления и процесс восстановления. Окислители и восстановители. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций (метод электронного баланса, ионно-электронные уравнения).

Важнейшие окислители и восстановители. Типы окислительно-восстановительных реакций.

ТеорЕтическая часть

Одними из важнейших химических процессов являются окислительно-восстановительные реакции. Именно реакции этого типа лежат в основе многих промышленных процессов: получение серной и азотной кислоты, доменные процессы, электрометаллургия, производство красителей, лекарств.

Окислительно-восстановительные реакции широко используются в добыче нефти и газа (окислители используются для нейтрализации сероводорода, сопутствующего нефтям и природным газам).

Инженерам - механикам также следует учитывать возможное протекание окислительно-восстановительных процессов, возникающих при горении топлива, коррозии металлов и их сплавов в различных средах. Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе преобразования энергии взаимодействующих химических веществ в электрическую энергию в гальванических и топливных элементах.

Кроме того, окислительно-восстановительные реакции чрезвычайно распространены в живой и неживой природе, например, биохимические процессы (дыхание, брожение, фотосинтез) в живых организмах.

Типы окислительно-восстановительных реакций.

Все химические реакции, в которых электроны переходят от одного вещества или его части (восстановителя) к другому веществу или к другой части одного и того же вещества (окислителю), называются окислительно-восстановительными, или редокс-процессами.

Любому веществу-окислителю (ox₁) соответствует восстановленная форма (red₁), а восстановителю (red₂) – окисленная форма (ox₂), вместе они образуют сопряженную окислительно-восстановительную пару (полуреакцию):

оx₁ + ne = red₁

red₂ – ne = оx₂

Сложение обеих полуреакций позволяет записать в общем виде окислительно-восстановительную реакцию:

ох₁+ red₂ = red₁+ оx₂

Если передача электронов от восстановителя к окислителю происходит во всем объеме раствора, то энергия химического взаимодействия рассеивается в окружающую среду в виде тепла (ΔH < 0).

В зависимости от того, находятся ли атомы, выполняющие в реакции функцию окислителя (акцептора электронов) и восстановителя (донора электронов) в одном или в различных веществах, все окислительно-восстановительные процессы можно разделить на три типа: межмолекулярные, внутримолекулярные и диспропорционирования.

В межмолекулярных (межатомных) реакциях окислительные функции выполняют одни вещества, а восстановительные – другие.

Например, в реакции:

H₂S + Cl₂ → S + 2HCl электроны от восстановителя – иона S^2– – переходят к окислителю – молекуле Cl₂.

В реакциях внутримолекулярного окисления-восстановления одна часть молекулы – окислитель, другая – восстановитель. Простейшими примерами могут служить реакции термического разложения вещества:

2NO₂ → 2NO + O₂

(NH₄)₂Cr₂O₇ → N₂ + Cr₂O₃ + 4H₂O

Реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления) протекают с одновременным уменьшением и увеличением степени окисления атомов одного и того же элемента. Они характерны для соединений или простых веществ, состоящих из промежуточных степеней окисления данного элемента:

Cl₂ + H₂O → HCl + HClO

4KClO₃ → 3KClO₄ + KCl