4. Важнейшие восстановители

1. Металлы. К типичным восстановителям относятся активные щелочные и щелочно-земельные металлы, цинк, алюминий, железо и др.

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

2.Неметаллы (B, Si, As, C, H, Te)

C + 4HNO_{3(конц, гор)} = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

3. Восстановительными свойствами обладают бескислородные анионы, такие как Cl^, Br^, I^, S^2, H^, и катионы металлов в низшей степени окисления.

4. Сложные молекулы и ионы, содержащие атомы элементов в промежуточных степенях окисления (SO₂, CO, NO, SO , NO и др.).

5. Вещества, проявляющие окислительно-восстановительную двойственность

Среди простых веществ окислительно-восстановительная двойственность характерна для элементов VIIA, VIA и VA подгрупп, которые могут как повышать, так и понижать свою степень окисления.

Часто используемые как окислители, галогены под действием более сильных окислителей проявляют восстановительные свойства (за исключением фтора).

I₂ + 5Cl₂ + 6H₂O = 2HIO₃ + 10HCl.

Кислородсодержащие кислоты галогенов и их соли, в состав молекул которых входит галоген в промежуточной степени окисления, могут выступать не только в роли окислителей:

S + NaClO₂ NaCl + SO₂

но и восстановителей:

5NaClO₂ + 2KMnO₄ + 3H₂SO_{4 (разб )} = 5NaClO₃ + 2MnSO₄ + 3H₂O + K₂SO₄

Пероксид водорода, содержащий кислород в степени окисления –1, в присутствии типичных восстановителей проявляет окислительные свойства, т.к. кислород может понижать свою степень окисления до –2:

2KI + H₂O₂ = I₂ + 2KOH

а при взаимодействии с сильными окислителями проявляет свойства восстановителя (степень окисления кислорода возрастает до 0):

5H₂O₂ + 2HIO₃ = I₂ + 5O₂ + 6H₂O

H₂O₂ +2Hg(NO₃)₂ = O₂ + Hg₂(NO₃)₂ + 2HNO₃.

Азотистая кислота и нитриты, в состав которых входит азот в степени окисления +3, также могут выступать как в роли окислителей:

2HI + 2HNO₂ = I₂ + 2NO + 2H₂O,

так и в роли восстановителей:

2NaNO_{2(разб, гор)} + O₂ = 2NaNO₃.

О методе полуреакций

При составлении сложных уравнений окислительно-восстановительных реакций с участием среды по методу ионно-электронного баланса (или методу полуреакций) руководствуются следующими правилами:

1. Если исходные вещества содержат большее число атомов кислорода, чем полученные продукты, то освобождающийся кислород в кислой среде с ионами водорода образует воду:

в нейтральной и щелочной средах этот кислород реагирует с молекулами воды с образованием гидроксид - ионов:

2. Если исходные вещества содержат меньшее число атомов кислорода, чем образующиеся, то недостающее число атомов кислорода восполняется в кислой и нейтральной средах за счет молекул воды, а в щелочной – за счет гидроксид - ионов.

3. Ионы в щелочной среде образуют с ионами молекулы воды:

4. В кислой и нейтральной средах одно-, двух-, трехзарядные ионы металлов образуют с кислотными остатками соли.

5. Получающиеся в реакциях атомы элементов со степенями окисления +4, +5, +6, +7 образуют сложные кислородсодержащие ионы кислотных остатков типа и т.д. (например, ) или молекулы оксидов ( и т. д.).

6. Ионы металлов, которым соответствуют нерастворимые в воде гидроксиды, образуют их в щелочной среде. Например, .

7. Атомы металлов со степенями окисления +2, +3, +4, способные давать амфотерные гидроксиды, образуют в щелочной среде гидроксосоли или гидроксокомплексы типа: и другие (например, и т. д.).

8. При окислении соединений, содержащих атомы элементов в низшей и промежуточной степенях окисления в щелочной среде (в присутствии ) образуются кислородсодержащие соединения этих элементов в высших степенях окисления и вода:

9. Восстановление соединений, содержащих атомы элементов в высоких степенях окисления, с участием воды протекает с образованием соединений элементов в более низких степенях окисления и гидроксид- ионов:

10. Если число электронов, теряемых восстановителем и приобретаемых окислителем, четное, то при нахождении коэффициентов эти числа делят на наибольший общий делитель.

11. Если число электронов, теряемых восстановителем и приобретаемых окислителем, нечетное, а в результате реакции должно получиться четное число атомов, то коэффициенты удваивают.

12. Вещества, отдающие электроны в процессе химической реакции, называются восстановителями. Во время реакции они окисляются, при этом степень окисления соответствующих элементов повышается.

Восстановителями могут быть:

а) нейтральные атомы и молекулы (С, Na, Fe, Zn, Al, Sn, H₂);

б) отрицательно заряженные ионы неметаллов ( и др.) в таких соединениях, как и т.д., а также и др.);

в) положительно заряженные ионы металлов с минимальными или промежуточными значениями заряда иона ( и др.);

г) сложные ионы и молекулы, содержащие атомы элементов в промежуточных степенях окисления (SO₂, CO, NO, SO , NO b и др.).

13. Вещества, принимающие электроны в процессе химической реакции, называются окислителями. Во время реакции они восстанавливаются, при этом степень окисления соответствующих элементов понижается.

Окислителями могут быть:

а) нейтральные атомы и молекулы (O₂, F₂, Cl₂, S, P и др.);

б) положительно заряженные ионы металлов с большими значениями заряда катиона (Fe³⁺, Cu²⁺, Sn⁴⁺, Ag⁺ и др.);

в) сложные ионы и молекулы, содержащие атомы металла в высшей и промежуточной степенях окисления ( и др.);

г) сложные ионы и молекулы, содержащие атомы неметалла в высшей и промежуточной степенях окисления ( и др.);

д) положительно заряженные ионы водорода (H⁺).

При составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций и подборе коэффициентов методом полуреакций советуем пользоваться следующим алгоритмом:

1. Запишите в левой части уравнения формулы исходных веществ. Для создания в растворах кислой среды обычно пользуются серной кислотой. Хлороводородная и азотные кислоты применяются редко, так как первая (HCl) способна окисляться, а вторая (HNO₃) сама - сильный окислитель.

2. Определите окислитель и восстановитель.

3. Составьте схемы ионно-электронных уравнений полуреакций для процессов окисления и восстановления; в схему включаются те реальные частицы, которые проявляют окислительные или восстановительные свойства, а также частицы, характеризующие среду (кислую - , щелочную - , нейтральную - ). Сильные электролиты записывают в виде ионов, а слабые электролиты, газообразные вещества, трудно-растворимые соединения – в виде молекул.

4. Проверьте число атомов кислорода в каждом уравнении полуреакции слева и справа уравняйте их.

5. Проверьте число атомов каждого элемента в левой и правой частях схем уравнений полуреакций окисления и восстановления. При необходимости уравняйте их.

6. Проверьте равенство сумм зарядов до и после реакции, в соответствии с законом электронейтральности – суммарное число зарядов продуктов реакции должно быть равно суммарному числу зарядов исходных веществ.

7. Согласно закону сохранения энергии (материи), общее число электронов, отдаваемых восстановителем, должно быть равно общему числу электронов, присоединяемых окислителем. Исходя из этого, подберите коэффициенты для окислителя и восстановителя.

8. Суммируйте левые и правые части ионно-электронных уравнений. Предварительно умножив соответствующие частицы на подобранные коэффициенты.

9. Сократите подобные члены, если таковые имеются.

10. Перепишите ионно-молекулярное (ионное) уравнение.

11. Чтобы по ионному уравнению составить молекулярное, необходимо в левой и правой частях уравнения к каждому аниону приписать соответствующее число катионов, а к каждому катионы – число анионов. Скомпонуйте ионы в молекулы.

Пример 1. Составьте уравнение реакции окисления сульфита натрия перманганатом калия в кислой среде.

1.

2. На основании правил 12, 13 - окислитель (в кислой среде восстанавливается до ); - восстановитель (в кислой среде окисляется до ).

3. Составим схему уравнения полуреакции процесса восстановления:

4. Согласно правилу 1, избыток кислорода в исходном ионе в кислой среде связывается с ионами водорода с образованием молекулы . Чтобы связать 4 атома кислорода, потребуется 8 ионов , при этом образуется 4 молекулы .

5. Проверим число атомов каждого элемента (Mn, H, O) в левой и правой частях уравнения полуреакции. Число атомов всех элементов уравнено.

6. Проверим число зарядов в схеме реакции. Сумма зарядов в левой части схемы равна (-1)+(+8)+(-1)= +6. В правой части сумма зарядов равна +2. Чтобы уравнять число зарядов, нужно в левой части схемы прибавить не 1 , а 5 , тогда (-1)+(+8)+(-5)= +2. Следовательно, уравнение полуреакции процесса восстановления будет выглядеть следующим образом:

Аналогичные рассуждения проводим при составление уравнения полуреакции процесса окисления начиная с п. 3 алгоритма:

3.

4. Согласно правилу 2, недостающее число атомов кислорода в исходном анионе ( ) пополняется в кислой среде за счет молекул , при этом высвобождаются ионы водорода:

5. Число атомов каждого элемента ( S, O, H) в левой и правой частях уравнения полуреакции одинаково.

6. Сумма зарядов в левой части (-2) - (-1) = -1, а в правой (-2)+2=0. Чтобы уравнять число зарядов, число электронов, отданных восстановителем нужно умножить на 2: (-2)-(-2)=0, тогда уравнение полуреакции примет следующий вид:

И далее по алгоритму (п. 7,8) подбираем коэффициенты, суммируем левую и правую части уравнений полуреакций:

2

5

9, 10. Сократив подобные члены, получаем ионно-молекулярное уравнение:

11. По этому ионно-молекулярному уравнению составляем уравнение в молекулярной форме:

Пример 2. Составьте уравнение реакции окисления хлорида хрома (III)бромной водой в щелочной среде.

Придерживаясь вышеизложенного алгоритма составления уравнений окислительно-восстановительных реакций и подбора коэффициентов, запишите:

1.

2. Из анализа формул исходных веществ видно, - восстановитель, - окислитель.

3, 4, 5. Восстановитель отдает электроны, т.е повышает степень окисления до +6 и, согласно правилу 5:

В соответствии с правилами 2 и 8:

6. Проверьте число атомов каждого элемента и равенство зарядов в схеме реакции. Уравнение полуреакции окисления в :

3, 4, 5, 6. Составьте уравнение полуреакции восстановления молекулы брома до бромид - ионов:

7, 8. Учитывая, что число электронов, принятых окислителем, равно числу электронов, отданных восстановителем, подбираем коэффициенты. Умножая левую и правую части уравнений полуреакций на соответствующие коэффициенты, суммируем оба уравнения:

2

3

9, 10, 11. Подобных членов нет. От полученного ионно-молекулярного уравнения переходим к итоговому уравнению в молекулярной форме:

Т.о., руководствуясь приведенными выше правилами по составлению уравнений полуреакций, получили итоговое молекулярное уравнение реакции окисления хлорида хрома (III) бромом в щелочной среде.

Примечание. Ионы в щелочной среде образуют осадок , поэтому правомерна запись уравнения в следующем виде:

Тогда:

2

3

Преимущества ионно-электронного метода при составлении уравнений реакций и подборе коэффициентов в сравнении с методом электронного баланса особенно проявляются при составлении уравнений реакций с участием органических соединений.

Многие органические соединения подвергаются окислению. Например, непредельные углеводороды чувствительны к окислителям. При пропускании их через водный раствор KMnO₄ характерная малиново-фиолетовая окраска последнего пропадает вследствие окисления непредельных углеводородов и восстановления KMnO₄ до MnO₂ (качественная реакция на непредельность). Уравнения реакций окисления спиртов до альдегидов и кислот, фенола до хинона, толуола до бензойной кислоты, углеводов до оксида углерода (IV) и воды и другие.

Пример 3. Составьте уравнение реакции окисления этилена перманганатом калия до этиленгликоля:

3

2

Молекулярное уравнение:

Пример 4. Составьте уравнение реакции окисления ацетилена раствором KMnO₄ до щавелевой кислоты (нейтральная среда):

3

8

3

3

3

Пример 5. Составьте уравнение реакции окисления этилового спирта перманганатом калия до уксусного альдегида:

3

2

Пример 6. Составьте уравнение реакции окисления этилового спирта перманганатом калия до уксусной кислоты:

3

4

Пример 7. Составьте уравнение реакции окисления этилового спирта перманганатом калия в сильнокислой среде:

5

12

Пример 8. Составьте уравнение реакции окисления фенола дихроматом калия в кислой среде до хинона:

6 3

4 2

Пример 9. Составьте уравнение реакции окисления толуола спирта перманганатом калия до бензойной кислот:

3 1

6 2

Пример 10. Составьте уравнение реакции окисления глюкозы перманганатом калия в кислой среде:

5

24

К несомненным достоинствам ионно-электронного метода относится то, что мы оперируем не гипотетическими ионами: Mn⁷⁺, S⁴⁺, Cr⁶⁺, C⁴⁺, C^-, С^2- и другими, а реально существующими в растворе ионами и веществами: и другими.