Методические указания и задания к контрольной работе по химии : «Окислительно-восстановительные процессы».

1. Основные понятия.

Окислительно-восстановительный процесс представляет собой совокупность процессов окисления и восстановления, протекающих одновременно. Окисление – это процесс отдачи электронов, восстановление – процесс их присоединения. Степень окисления атомов, отдающих электроны, повышается, а присоединение электронов , наоборот, степень окисления атомов понижает. Таким образом, отличительным признаком окислительно-восстановительных процессов является изменение степени окисления атомов окисляющегося и восстанавливающегося элементов.

Частицы вещества(атомы, молекулы, ионы), отдающие электроны, называются восстановителями, а частицы, присоединяющие электроны – окислителями. Окислитель, присоединяя электроны, превращается в соответствующий воосстановитель и наоборот, в результате отдачи электронов восстановителем образуется соответствующий окислитель, т.е. соответствующие окислитель и восстановитель образуют единую окислительно-восстановительную пару ОК/ВС, где ОК – окислитель, ВС – соответствующий восстановитель. Взаимные превращения окислителя ОК в соответствующий восстановитель ВС, а также восстановителя ВС в соответствующий окислитель ОК можно выразить схемой: ОК+neВС, где n – количество электронов е. Например, для окислительно-восстановительной пары Zn²⁺|Zn⁰ взаимные превращения окислителя и восстановителя выражаются уравнением: Zn²⁺+2eZn⁰; для пары (MnO₄^-+8H⁺)/(Mn²⁺+4H₂O) уравнение взаимного превращения имеет вид: MnO₄^-+8H⁺+5еMn²⁺+4H₂O.

Сущность окислительно-восстановительного процесса заключается в передаче электронов восстановителем окислителю. Окислительно-восстановительный процесс можно осуществить двумя способами: в форме окислительно-восстановительной реакции при непосредственном контакте окислителя с восстановителем и в форме электрохимического процесса с пространственно разделёнными реакциями окисления и восстановления, протекающими на электродах.

Электрод представляет собой систему, включающую проводник электронов и окислительно-восстановительную пару. Поэтому для обозначения электрода достаточно указать окислительно- восстановительную пару ОК/ВС, например, Zn²⁺|Zn⁰, (MnO₄^-+8H⁺)/(Mn²⁺+4H₂O). В любом электроде могут протекать 2 процесса: восстановление окислителя ОК+ne = ВС и окисление восстановителя ВС = ОК+ ne. Электроды называются анодом, если в нём протекает процесс окисления, и катодом, если в нём реализуется восстановительный процесс. Характер электродного процесса зависит от относительной активности окислителя и восстановителя пары, которая количественно характеризуется величиной стандартного электродного потенциала Е^о: чем больше значение Е^о, тем выше активность окислителя и тем ниже активность соответствующего восстановителя.

Пример 1.1. Активность окислителей и восстановителей окислительно-восстановительных пар Zn²⁺/Zn⁰ и (MnO₄^-+8H⁺)/(Mn²⁺+4H₂O).

Из таблицы стандартных электродных потенциалов выписываем их значения для рассматриваемых пар: Е^о(Zn²⁺/Zn⁰)=-0,76В; Е^о((MnO₄^-+8H⁺)/(Mn²⁺+4H₂O))= 1.51В. Сопоставляя значения Е^о, приходим к выводу, что в рассматриваемых окислительно-восстановительных парах наиболее сильным окислителем является MnO₄^-+8H⁺, а наиболее активным восстановителем – Zn⁰.

В окислительно-восстановительном процессе восстановитель, отдавая электроны, превращается в соответствующий окислитель, а окислитель вследствие присоединения электронов образует соответствуюший восстановитель. Естественно, что образующиеся новый окислитель и новый восстановитель способны вступать друг с другом в окислительно-восстановительное взаимодействие. Поэтому любой окислительно-восстановительный процесс обратим и может быть выражен следующей схемой: ВС_I+ОК_IIОК_I+ВС_II, где индексы ”I” и “II” относятся к первой и второй окислительно-восстановительным парам.

Как и в любом обратимом процессе, возможность самопроизвольного взаимодействия в окислительно-восстановительном процессе определяется условием G<0. Для окислительно-восстановительных процессов имеет место соотношение:

G= - nFE (1.1)

где n – число электронов, F96500Кл – число Фарадея, Е – разность электродных потенциалов окислителя Е_ОК и восстановителя Е_ВС. Из формулы (1.1) вытекает, что условием самопроизвольного протекания окислительно-восстановительного процесса является:

Е>0 или Е_ОК>Е_ВС (1.2)

Пример 1.2. Определение возможности самопроизвольного протекания окислительно- восстановительного процесса Zn⁰+Sn²⁺ = Zn²⁺+Sn⁰.

В рассматриваемом процессе Zn⁰ – восстановитель, ионы Sn²⁺ - окислитель.

Из таблицы стандартных электродных потенциалов выписываем их значения для окислительно- восстановительных пар, включающих данные окислитель и восстановитель: Е^о(Zn²⁺/Zn⁰) = - 0,76В, Е^о(Sn²⁺/Sn⁰) = - 0,14 В. Находим стандартную разность потенциалов: Е^о = Е^о_ОК - Е^о_ВС = Е^о(Sn²⁺/Sn⁰) - Е^о(Zn²⁺/Zn⁰) = - 0,14 - (-0,76) = 0,62В > 0, что удовлетворяет условию (1.2). Следовательно, рассматриваемый окислительно-восстановительный процесс может протекать самопроизвольно.