Окислительно-восстановительные реакции

Общее описание

В ходе ОВР происходит обмен атомов. Акцептор или окислитель принимает электроны, а донор или восстановитель – отдаёт. Получается, акцептор восстанавливается (добирает недостающие электроны), а донор окисляется (теряет электроны). Эти процессы происходят одновременно и зависят друг от друга.

Обмен электронами осуществляется на внешнем энергетическом уровне. В результате возникают ковалентные связи.

himiya-52134-donorno-akceptornyy-mehanizm-obrazovaniya-kovalentnoy-svyazi.jpg

Рис. 1. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи.

Степень окисления – условный заряд атома, указывающий на состояние окисления конкретного атома. Величина не отражает истинный заряд атома и используется для удобства записи и расчёта уравнения.

Степень окисления записывается цифрой сверху элемента. Знаки плюса и минуса указывают, чем является элемент – восстановителем (+) или окислителем (-). У простых веществ, свободных элементов всегда «нулевая» степень окисления.

Примеры окислительно-восстановительных реакций:

  • 2Mg + O2 → 2Mg+2O-2 (магний отдал два электрона, кислород – принял);
  • H2 + F2 → 2H+1F-1;
  • 2Na + Cl2 → 2Na+1Cl-1;
  • Cu+2S+6O4-2 + Fe → Fe+2S+6O4-2 + Cu.

himiya-52134-primery-zapisi-uravneniya-ovr.jpg

Рис. 2. Примеры записи уравнения ОВР.

Все металлы являются восстановителями. Они легко отдают внешние электроны и активно вступают в реакции с неметаллами. Элементы с неметаллическими свойствами могут выступать в роли восстановителя и окислителя, в зависимости от реакции. Значение можно узнать из специальной таблицы.

Рис. 3. Таблица степеней окисления элементов.

Степень окисления акцептора в процессе ОВР увеличивается, степень донора – уменьшается.

Стадии ОВР

Окисление – отдача электронов атомами, молекулами или ионами. В результате степень окисления повышается. Восстановители отдают электроны.

Восстановление – присоединение электронов. В результате степень окисления понижается. Окислители принимают электроны.

ОВР – сопряженный процесс: если есть восстановление, то есть и окисление.

Правила ОВР

Эквивалентный обмен электронов и атомный баланс.

Кислая среда

В кислой среде высвобождающиеся оксид-ионы связываются с протонами в молекулы воды; недостающие оксид-ионы поставляются молекулами воды, тогда из них высвобождаются протоны.

Там, где не хватает атомов кислорода, пишем столько молекул воды, сколько не хватает оксид-ионов.

Пример. Используя метод электронного баланса, составить уравнение реакции, определить окислитель и восстановитель:

a1.jpg

1. Определяем степень окисления: сера в сульфите калия имеет степень окисления +4, марганец в перманганате калия имеет степень окисления +7, серная кислота – среда протекания реакции. Мараганец в высшей степени окисления – окислитель, следовательно, сульфит калия восстановитель.

Примечание: +4 – промежуточная степень окисления для серы, поэтому она может выступать как восстановителем, так и окислителем. С сильными окислителями (перманганат, дихромат) сульфит является восстановителем (окисляется до сульфата), с сильными восстановителями (галогенидами, халькогенидами) сульфит окислитель (восстанавливается до серы или сульфида).

a2.jpg

Сера из степени окисления +4 переходит в +6 – сульфит окисляется до сульфата. Марганец из степени окисления +7 переходит в +2 (кислая среда) – перманганат ион восстанавливается до Mn2+.

2. Составляем полуреакции. Уравниваем марганец: Из перманганата высвобождаются 4 оксид-иона, которые связываются ионами водорода (кислая среда) в молекулы воды. Таким образом, 4 оксид-иона связываются с 8 протонами в 4 молекулы воды.

Другими словами, в правой части уравнения не хватает 4 кислорода, поэтому пишем 4 молекулы воды, в левой части уравнения – 8 протонов.

Семь минус два – плюс пять электронов. Можно уравнивать по общему заряду: в левой части уравнения восемь протонов минус один перманганат = 7+, в правой части марганец с зарядом 2+, вода электронейтральна. Семь минус два – плюс пять электронов. Все уравнено.

3. Суммарное уравнение электронного баланса. Умножаем верхнюю полуреакцию на 2, нижнюю на 5.

Сокращаем протоноы и воду.

4. Итоговое уравнение реакции: Сульфат ионы связываются с ионами калия и марганца.

Щелочная среда

В щелочной среде высвобождающиеся оксид-ионы связываются молекулами воды, образуя гидроксид-ионы (OH группы). Недостающие оксид-ионы поставляются гидроксо-группами, которых надо брать в два раза больше.

Там, где не хватает оксид-ионов пишем гидроксо-групп в 2 раза больше, чем не хватает, с другой стороны – воду.

Пример. Используя метод электронного баланса, составить уравнение реакции, определить окислитель и восстановитель:

Определяем степень окисления:

Висмут (III) с сильными окислителями (например, Cl2) в щелочной среде проявляет восстановительные свойства (окисляется до висмута V):

Так как в левой части уравнения не хватает 3 кислородов для баланса, то пишем 6 гидроксо-групп, а справа – 3 воды.

Итоговое уравнение реакции:

Нейтральная среда

В нейтральной среде высвобождающиеся оксид-ионы связываются молекулами воды с образованием гидроксид-ионов (OH групп). Недостающие оксид-ионы поставляются молекулами воды. Из них высвобождаются ионы H+.

Используя метод электронного баланса, составить уравнение реакции, определить окислитель и восстановитель:

1. Определяем степень окисления: сера в персульфате калия имеет степень окисления +7 (является окислителем, т.к. высшая степень окисления), бром в бромиде калия имеет степень окисления -1 (является восстановителем, т.к. низшая степень окисления), вода – среда протекания реакции.

Сера из степени окисления +7 переходит в +6 – персульфат восстанавливается до сульфата. Бром из степени окисления -1 переходит в 0 – бромид ион окисляется до брома.

2. Составляем полуреакции. Уравниваем серу (коэффициент 2 перед сульфатом). Кислород уравнен. В левой части заряд 2-, в правой части заряд 4-, присоединено 2 электрона, значит пишем +2

Уравниваем бром (коэффициент 2 перед бромид-ионом). В левой части заряд 2-, в правой части заряд 0, отдано 2 электрона, значит пишем –2

3. Суммарное уравнение электронного баланса.

4. Итоговое уравнение реакции: Сульфат ионы связываются с ионами калия в сульфат калия, коэффициент 2 перед KBr и перед K2SO4. Вода оказалась не нужна – заключаем в квадратные скобки.

Что мы узнали?

Из урока 9 класса химии узнали, что окислительно-восстановительная реакция – взаимодействие веществ с изменением степени окисления. Эта условная величина указывает, сколько электронов принял (со знаком минус) или отдал (со знаком плюс) атом. В результате взаимодействия акцепторов (окислителей) и доноров (восстановителей) возникает ковалентная связь. Различают четыре типа ОВР: межмолекулярные, внутримолекулярные, диспропорционирования, контрпропорционирования.

Классификация

Выделяют четыре вида ОВР:

  • межмолекулярные – атомы окислителя и восстановителя находятся в молекулах разных веществ: MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H2O;
  • внутримолекулярные – атомы окислителя и восстановителя входят в состав одного и того же вещества: 2KClO3 = 2KCl + 3O2;
  • диспропорционирования или самоокисления-самовосстановления – атом одного и того же элемента выполняет функцию и восстановителя, и окислителя: 4K2SO3 = 3K2SO4 + K2S (в K2SO4 сера – восстановитель, в K2S – окислитель);
  • контрпропорционирования – атомы одного элемента в составе исходных веществ имеют разные степени окисления, а конечных – одинаковую: S+4O2 + 2H2S+2 = 3S + 2H2O.

Процесс окисления (отдачи электронов) записывают со знаком минус, показывая, сколько электронов получил окислитель: S-2 – 2ē → S, Al – 3ē → Al+3, Fe+2 – ē → Fe+3. Процесс восстановления (присоединения электронов) записывается со знаком плюса: Mn+4 + 2ē → Mn+2, S + 2ē → S-2, Cr+6 + 3ē → Cr+3.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий