4.4. Классификация окислительно-восстановительных реакций
Окислительно-восстановительные реакции обычно подразделяются на четыре типа: межмолекулярные, внутримолекулярные, диспропорционирование и конпропорционирование.
В межмолекулярных окислительно-восстановительных реакциях окислитель и восстановитель – различные вещества. Например, в реакции
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O
окислителем является кислород O2, а восстановителем аммиак NH3, а в реакции
5K2SO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 6K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O
окислитель – перманганат калия KMnO4, а восстановителем – сульфит калия K2SO3.
Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции отличаются тем, что элементы окислитель и восстановитель (разные элементы) содержатся в составе одного и того же исходного соединения. Например, в реакции
(NH4)2Cr2O7 = N2 + Cr2O3 + 4H2O
восстановителем являются атомы азота, а окислителем атомы хрома в составе разлагающегося дихромата аммония (NH4)2Cr2O7.
Диспропорционирование (дисмутация) отличается тем, что окисляются и восстанавливаются атомы одного и того же элемента в составе исходного соединения. Например, в реакции
3Cl2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O
окисляются и восстанавливаются атомы хлора.
Реакции конпропорционирования – это реакции, обратные реакциям диспропорционирования. В таких реакциях атомы одного и того же элемента в разных соединениях и в различных степенях окисления выступают в качестве окислителя и восстановителя друг друга; обычно продуктом этих реакций является простое вещество, в котором атомы этого элемента имеют нулевую степень окисления:
5HI + HIO3 = 3I2 + 3H2O
Пример 4.8. Определите тип каждой из данных окислительно-восстановительных реакций:
1) KI + HNO3 → KIO3 + NO2 + H2O 2) KClO4 → KCl + O2
3) K2SO3 → K2SO4 + K2S 4) H2S + SO2 → S + H2O
Решение. Запишем схемs реакций с указанием степени окисления тех элементов у которых она изменяется:
1) K
+ H
O3
K
O3
+
O2
+ H2O; 2)
K
3
K
+
2
3) K2
O3
K2
O4 +
K2
; 4)
H2
+
O2
+
H2O;
В первой реакции восстановитель (KI) и окислитель (HNO3) – разные вещества, следовательно, эта реакция межмолекулярная.
Во второй реакции окислитель (хлор) и восстановитель (кислород) находятся в составе одного вещества (KClO3), поэтому данная реакция внутримолекулярная.
В третьей реакции окисляется один и тот же элемент – сера в составе K2SO3, поэтому в данной реакции происходит диспропорционирование серы.
В реакции четыре окисляется и восстанавливается один и тот же элемент – сера в составе H2S и SO2, соответственно, поэтому данная реакция – реакция конпропорционирования.
4.5. Метод электронного баланса
Определение коэффициентов перед формулами веществ (стехиометрических коэффициентов) в уравнениях окислительно-восстановительных реакций проводят двумя методами: электронного баланса и полуреакций.
По методу электронного баланса сначала находят окислитель, восстановитель и элементы в их составе, у которых изменяется степень окисления, например:
вос ок
После этого записывают электронные схемы отдачи электронов восстановителем и их присоединения окислителем:
2
3
Цифры справа от вертикальной черты показывают, какими должны быть наименьшие числа атомов восстановителя и окислителя, чтобы число отданных и присоединенных электронов было одинаковым. Они являются стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции:
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O
Метод электронного баланса не согласуется с современными данными, полученными при исследовании механизма реакций. В большинстве окислительно-восстановительных реакций перехода электронов от атома к атому не происходит, а причиной изменения степени окисления элементов является изменение состава и строения веществ. Поэтому электронные схемы в методе электронного баланса не отражают реального механизма окислительно-восстановительных реакций. Но подбирать стехиометрические коэффициенты этим методом можно, если схема реакции дана полностью, если известны исходные вещества и продукты реакции.
Пример 4.9. Покажите, что стехиометрические коэффициенты в уравнениях реакций, которые приведены в п. 4.4. (Классификация окислительно-восстановительных реакций) определены правильно.
Решение. В п. 4. 4. приведены уравнения пяти реакций; покажем электронные схемы окисления и восстановления для первых четырёх реакций.
1) 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O
2
-
6e =
2
2
2
+ 4e = 2
3
2) 5K2SO3 + 2K2MnO4 + 3H2SO4 = 5K2SO4 + 2MnSO3 + 3H2O
-
2e =
5
+
5e =
2
3) (NH4)2Cr2O7 = N2 + Cr2O3 + 4H2O
2
- 6e =
2
1
2
+
6e = 2
1
4) 3Cr2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O
2
- 10e = 2
1
Cl2
+ 2e = 2
5
Схемы электронного баланса свидетельствуют о том, что коэффициенты в уравнениях реакций определены правильно.