Классификация окислительно-восстановительных реакций
Oкислительно-восстановительные реакции
Основные понятия
Степень окисления элементов
и сущность окислительно-восстановительных явлений Окислительно-восстановительные реакции имеют очень широкое распространение и являются чрезвычайно важными для обмена веществ в живых организмах, для многих промышленных процессов, связанных с получением химических веществ. Они имеют огромное значение в теории и практике.
Окислительно-восстановительные реакции - это такие реакции, которые протекают с изменением степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ.
Например, NaOH+HCl=NaCl+H2O реакция идет без изменения степени окисления. Такого типа реакции называются обменными.
Zn0-2e→Zn2+ 1 восстановитель, окисление
2H++2e→H20 1 окислитель, восстановление
Сущность окислительно-восстановительных процессов состоит в переходе валентных электронов от восстановителя к окислителю. При окислительно-восстановительных реакциях одновременно протекают два процесса: окисление и восстановление.
|
|
Окисление-это процесс отдачи электронов. Этот процесс сопровождается повышением степени окисления элемента. Вещество, отдающее электрон, является восстановителем. Восстановление- это процесс присоединения электронов. Этот процесс сопровождается понижением степени окисления элемента. Вещество, принимающее электрон, является окислителем.
Вещества, содержащие элемент в высшей степени окисления, например, H2 S+6O4 , могут быть только окислителями.
Вещества, содержащие элемент в низшей степени окисления, например, H2 S-2 , могут быть только восстановителями.
Вещества, содержащие элемент в промежуточной степени окисления, например, SО2+4 могут быть как окислителями, так и восстановителями.
Состояние атома в молекуле характеризуется с помощью понятия «степени окисления».
Под степенью окисления понимают заряд атома элемента в соединении,
вычисленный из предположения о том, что молекула состоит только из ионов.
Для определения степени окисления элементов в химических соединениях следует руководствоваться следующими положениями:
|
|
1) Постоянную степень окисления имеют щелочные металлы (+1), щелочноземельные металлы (+2), фтор (-1). Для водорода в большинстве соединений характерна степень окисления +1, а в гидридах металлов и в некоторых других соединениях она равна -1. Кислород в соединениях проявляет главным образом степень окисления -2, кроме пероксидных соединений , степень окисления кислорода в которых равна -1, и фторида кислорода OF2, в котором она равна +2.
2) Степень окисления атомов в простом веществе равна нулю (S0,Cu0,Br20,O2).
3) Сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю, а в ионе - заряду иона. Например:
К2+1 MnxO4-2, (+1)∙2+x+(-2)∙4=0, x=+6, K2+1Mn+6O4-2
(NxH4+1)+, x+(+1)∙4=+1, x=-3, (N-3H4)+
(NH4)2+1 Cr2xO7-2, (+1)∙2+x∙2+(-2)∙7=0, x=+6, (NH4)2+1 Cr2+6O7-2
4) Степень окисления атомов в кислотном остатке для кислоты и всех ее солей одинакова.
Al2(S+6O4)3, так как H2S+6O4.
Ca(N+5O3)3 , так как HN+5O3.
Составление уравнений ОВР методом электронного баланса.
В основе данного метода лежит следующее правило: общее число электронов, которые отдают атомы-восстановители, должно быть равно общему числу электронов, которое присоединяют атомы- окислители.
|
|
Рассмотрим применение метода электронного баланса на примере реакции, которая выражается следующей схемой:
KMnO4+KBr+H2SO4→MnSO4+Br2+K2SO4+H2O
1) Определим степени окисления всех элементов в молекулах исходных веществ и продуктов реакции:
K+1Mn+7O4-2+ K+1Br-1+ H2+1 S+6O4-2→ Mn+2S+6O4-2+ Br20+ K2+1S+6O4-2+ H2+1O-2
2) Подчеркнем символы элементов, которые изменяют степени окисления в ходе реакции:
K+1Mn+7O4-2+ K+1Br-1+ H2+1 S+6O4-2→ Mn+2S+6O4-2+ Br20+ K2+1S+6O4-2+ H2+1O-2
3) Составим электронные уравнения процессов окисления и восстановления:
Mn+7+5е→ Mn+2 2 (восстановление)
2Br-1-2е→Br20 5 (окисление)
В левой части атомов брома взято два, так как продуктом окисления является двухатомная молекула брома Br2.
( если степень окисления понижается, электроны добавляем; повышается - электроны вычитаем).
4) Найденные множители (2и5) запишем как коэффициенты перед формулами веществ, которые содержат элементы, участвующие в процессах окисления и восстановления:
2KMnO4+10KBr+H2SO4→2MnSO4+5Br2+K2SO4+H2O
5) Далее уравниваем числа атомов элементов, которые не изменяют степени окисления, начиная со щелочного металла калия:
|
|
2KMnO4+10KBr+H2SO4→2MnSO4+5Br2+6K2SO4+H2O
Затем уравниваем число атомов серы и водорода:
2KMnO4+10KBr+8H2SO4→2MnSO4+5Br2+6K2SO4+8H2O
В последнюю очередь определяем число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. Равенство (по 40 атомов кислорода) свидетельствует о том, что уравнение составлено правильно.
Классификация окислительно-восстановительных реакций
Различают несколько типов ОВР:
1) Межмолекулярные ОВР – это реакции, в которых атом-окислитель и атом-восстановитель принадлежат разным веществам. Эти вещества могут быть как простыми, так и сложными.
2Fe+3Cl3+2KI-1→2Fe+2Cl2+I2+2KCl
Fe+3+e→ Fe+2 2 окислитель
2I-1-2е→I20 1 восстановитель
2) Реакции конмутации (контрпропорционирования) – это реакции, в которых окисляются и восстанавливаются атомы одного и того же элемента. В результате получается продукт, где элемент имеет промежуточную степень окисления:
СаН2-1+2Н2+1О →Са(ОН)2+2Н2 0↑
2Н-1-2е → Н2 0 1 восстановитель
2Н+1+2е → Н2 0 1 окислитель
3) Внутримолекулярные ОВР – это реакции, в которых атомы окислителя и восстановителя находятся в одном и том же веществе, при этом атомы с большей степенью окисления окисляют атомы с меньшей степенью окисления:
2KCl+5O3-2 t,kt 2KCl-1+3O20
Cl+5+6е → Cl-1 2 окислитель
2О-2-4е→О20 3 восстановитель
4) Реакции диспропорционирования (дисмутации) или самоокисления-самовосстановления-это реакции, в которых атомы одного и того же элемента одновременно и окисляются, и восстанавливаются. Такие реакции возможны для веществ, имеющих элементы с промежуточной степенью окисления:
4KCl+5O3-2 t 3KCl+7O4-2 + KCl-1
Cl+5+6е → Cl-1 1 окислитель
Cl+5-2е → Cl+7 3 восстановитель
Контрольные задания
Подберите коэффициенты методом электронного баланса, укажите тип ОВР, окислитель и восстановитель.
1) As+Cl2+H2O=H3AsO4+HCl
2) Zn + H2SO4=H2S+ZnSO4+ H2O
3) Mg+HNO3=Mg(NO3)2+N2+ H2O
4) K2Cr2O7+HBr=Br2+CrBr3+KBr+ H2O
5) K2MnO4+ H2O= KMnO4+MnO2+KOH
6) KClO3+ HCl=KCl+Cl2+ H2O
7) FeCl2+KClO3+HCl=FeCl3+KCl+H2O
8) Cr2(SO4)3+ H2O2+NaOH=Na2CrO4+Na2SO4+ H2O
9) KMnO4+H2S+ H2SO4=MnSO4+S+K2SO4+ H2O
10) NaBrO3+NaBr+ H2SO4 =Br2+ Na2SO4+ H2O
11) KMnO4+H3 PO3+ H2 SO4= MnSO4+ H3PO4+ K2SO4+ H2O
12) Zn+HNO3 =Zn(NO3)2+NO2+ H2O
13) KI+Cu(NO3)2=CuI+I2+KNO3
14) MnS+ HNO3 = MnSO4+NO2+ H2O
15) Cr(NO3)3=Cr2O3+NO2+O2
16) K+ H2SO4= K2SO4+S+ H2O
17) SnSO4+ KMnO4 + H2SO4= Sn(SO4)2+ MnSO4+ K2SO4+ H2O
18) Na2SO3+KIO3+ H2SO4=I2+Na2SO4+ K2SO4+ H2O
19) Na2SO3+ KMnO4 + H2O= Na2SO4+MnO2+KOH
20) Na2SO3= Na2SO4+ Na2S
21) PH3+ KMnO4 +H2SO4 = H3PO4+ MnSO4+ K2SO4+ H2O
22) FeSO4+KClO3+H2SO4=Fe2(SO4)3+KCl+ H2O
23) SnCl2+HNO2+HCl=SnCl4+NO+ H2O
24) PH3+AgNO3+ H2O=Ag+ H3PO4+HNO3
25) H2S+H2SO3=S+ H2O
26) Cr2O3+KClO3+KOH=K2CrO4+KCl+ H2O
27) Cr2O3+NaNO3+NaOH= Na2CrO4+NaNO2+ H2O
28) K2Cr2O7+H2S+ H2SO4=Cr2(SO4)3+S+ K2SO4+ H2O
29) KMnO4 +NaNO2+ H2O=MnO2+NaNO3+KOH
30) NaH+ H2O=NaOH+H2
31) P+HIO3+ H2O= H3PO4+HI
32) H2S+Cl2+ H2O=H2SO4+HCl
33) PbS+HNO3=S+Pb(NO3)2+NO+ H2O
34) P+ HNO3 + H2O= H3PO4+NO
35) KBrO3+KBr+ H2SO4 =Br2+ K2SO4+ H2O
36) Cu2O+ HNO3 = Cu(NO3)2+NO+ H2O
37) Ca+ HNO3 =NH4NO3+ Ca(NO3)2+ H2O
38) KMnO4+H3 AsO3+ H2 SO4= MnSO4+ H3AsO4+ K2SO4+ H2O
39) Zn+ HNO3 =N2O+ Zn(NO3)2+ H2O
Электрохимические процессы
Электрохимические процессы - большая область явлений, из которых наиболее интересны и важны возникновение разности потенциалов и получение электрической энергии за счет химических реакций (гальванические элементы, электрохимическая коррозия) и возникновение химических реакций за счет затраты электрической энергии (электролиз).
Электролиз – окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролитов.
Окислительно-восстановительный процесс протекает на электродах: катоде (-) и аноде(+), присоединенных соответственно к отрицательному и положительному полюсу источника тока. На катоде протекают процессы восстановления, а на аноде- окисления ионов, находящихся в растворе (расплаве) электролитов.
Простейший пример –электролиз расплавов солей. Рассмотрим процесс электролиза расплава хлорида натрия. В расплаве идет процесс термической диссоциации:
NaClрасплпаав→Na++Cl-
Под действием электрического тока катионы Na+ движутся к катоду и принимают от него электроны. Анионы Cl- движутся к аноду и отдают электроны:
К(-) Na+ +е→ Na0 2
А(+) 2 Cl- -2е→ Cl20 ↑ 1
________________________________________________
2 Na++2 Cl- →2 Na0+ Cl2 0 ↑ или
2 NaClрасплав электролиз 2Na + Cl2 0 ↑
На катоде образуется металлический натрий, на аноде- газообразный хлор.
Сложнее обстоит дело в случае электролиза растворов электролитов, когда в электродных процессах принимает участие вода.
Для определения продуктов электролиза водных растворов электролитов существуют следующие правила:
1. Процесс на катоде не зависит от материала катода, из которого он сделан, а зависит от положения металла в электрохимическом ряду напряжений
LI, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Au
При этом если:
1.1 Катион электролита расположен в ряду напряжений в начале ряда (по Al включительно), то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород Н2↑): 2Н2О+2е→2ОН-+ Н2↑
Катионы металла не восстанавливаются, они остаются в растворе.
1.2 Катион электролита находится в ряду напряжений между Al и Н2, то на катоде восстанавливаются одновременно и ионы металла, и молекулы воды:
Ме+n+ne-→Me0
2Н2О+2е→2ОН-+ Н2↑
1.3 Катион электролита находится в ряду напряжений после Н2, то на катоде восстанавливаются только катионы металла:
Ме+n+ne-→Me0
2. Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.
2.1 Если анод растворяется (Fe,Zn,Cu,Ag и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза),то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона.
Ме0-ne-→Me+n
2.2 Если анод не растворяется (его называют инертным- графит, золото, платина ), то:
а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона, например:
2Сl - - 2e→Cl20↑
б) при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды (выделяется кислород О2↑):
2Н2О-4е→4Н++О2↑
Анионы не окисляются, они остаются в растворе.
Эти правила отражены на схеме:
1. Восстановление катионов:
LI+, K+, Ba2+, Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+, Mn2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+, Co2+, Sn2+, Pb2+, H2, Cu2+, Hg2+, Ag+, Au3+
Восстанавливается Н2 из воды: Восстанавливается и Н2 из воды, Восстанавливается 2Н2О+2е→2ОН-+ Н2↑ и катион металла. только катион Ме+n:
Сu2++2e→Cu0
2. Окисление анионов:
I-, Br-, S2-, Cl-, OH- SO42-, NO3-, PO43-, F-
Окисляются сами анионы: окисляется кислород из воды:
2 Cl- -2е→ Cl20 ↑ 2Н2О-4е→4Н++О2↑
4ОН- - 4е→ 2Н2О+О2↑
Применим эти правила в конкретных ситуациях. Рассмотрим наиболее характерные случаи электролиза:
1. Электролиз водного раствора соли, образованной активным металлом и бескислородной кислотой, например, NaCl. Электродный потенциал процесса восстановления ионов натрия (Е0=-2,71 В) меньше, чем воды (Е0=-0,41 В). Поэтому при пропускании тока через раствор NaCl у катода восстанавливается вода и выделяется водород. У анода окисляются ионы Cl-, так как это бескислородный кислотный остаток.
NaClраствор→Na++Cl-
К(-) 2Н2О+2е→2ОН-+ Н2↑ 1
А(+) 2 Cl- -2е→ Cl20 ↑ 1
________________________________________________
2 Н2О+2 Cl- →2 ОН-+Н2↑+2 Cl2 0 ↑ или в молекулярном виде
2 NaClраствор+2 Н2О электролиз 2NaОН+Н2↑+2 Cl2 0 ↑
Т.е. в данном случае при электролизе на катоде выделяется водород, на аноде- галоген (хлор), в катодном пространстве- гидроксид натрия NaОН.
2. Электролиз водного раствора соли, образованной активным металлом и кислородосодержащей кислотой, например, Na2SO4
Na2SO4раствор→2Na++SO42-
К(-) 2Н2О+2е→2ОН-+ Н2↑ 2
А(+) 2Н2О-4е→4Н++О2↑ 1
________________________________________________
4 Н2О+2 Н2О =4 ОН-+2Н2↑+4Н++О2↑ или в молекулярном виде
4 Н2О+2 Н2О =4 Н2О+2Н2↑+О2↑ или в сокращенном виде
2 Н2О электролиз Na2SO4 2Н2↑+О2 0 ↑
Т.е. в данном случае электролиз сводится к разложению воды . На катоде выделяется
водород, на аноде- кислород.
3. Электролиз водного раствора соли, образованной металлом , стоящим в ряду напряжений после алюминия до водорода, и бескислородной кислотой, например, ZnCl2. В этом случае на катоде идут два процесса – восстановление металла и воды:
ZnCl2 раствор→Zn2++2Cl-
К(-) Zn2++2e→ Zn0 1
2Н2О+2е→2ОН-+ Н2↑
А(+) 2 Cl- -2е→ Cl20 ↑ 2
В данном случае итоговое уравнение электролиза не пишут, так как неизвестно, какое количество электричества идеи на восстановление металла, какое – на восстановление воды.
4. Электролиз водного раствора соли, образованной металлом , стоящим в ряду напряжений после алюминия до водорода, и кислородосодержащей кислотой, например, NiSO4.
NiSO4раствор→Ni2++SO42-
К(-) Ni2++2e→ Ni0 1
2Н2О+2е→2ОН-+ Н2↑
А(+) 2Н2О-4е→4Н++О2↑ 1
В данном случае также итоговое уравнение электролиза не пишут.
5. Электролиз соли, образованной малоактивным металлом и бескислородной кислотой:
CuBr2раствор→Cu2++2Br-
К(-) Cu2++2e→ Cu0 1
А(+) 2Br- -2е→ Br20 1
____________________________________
Cu2++2Br-→Cu0+ Br20 или в молекулярном виде
CuBr2раствор электролиз Cu0+ Br20
6. Электролиз соли, образованной малоактивным металлом и бескислородной кислотой:
СuSO4раствор→Cu2++SO42-
К(-) Cu2++2e→ Cu0 2
А(+) 2Н2О-4е→4Н++О2↑ 1
____________________________________________
2Cu2++2Н2О→2Cu0+4H++ О2↑ или в молекулярном виде
2 СuSO4раствор+ 2Н2О→ 2Cu0+2H2SO4+ О2↑
7. Электролиз водного раствора соли NaCl с растворимым анодом (например, медным):
Так как анод растворимый, то металл анода (медь) будет окисляться:
Cu0-2e→ Cu2+
Катионы Cu2+ в ряду напряжений стоят после Н+, поэтому они и будут восстанавливаться на катоде.
NaClраствор→Na++Cl-
К(-) Cu2++2e→ Cu0 1
А(+) Cu0-2e→ Cu2+ 1
Контрольные задания
1) Чем отличается электролиз расплавов от электролиза водных растворов?
2) Какие металлы можно получить электролизом расплавов их солей и нельзя получить электролизом водных растворов этих веществ?
3) Составьте уравнения электролиза расплавов хлорида хрома (III), бромида натрия, хлорида цинка, хлорида железа (III).
4) Составьте уравнения электролиза хлорида бария в : а) расплаве, б)растворе.
5) Составьте уравнения электролиза водных растворов солей: а)К3РО4, б)MnI2. Электроды графитовые.
6) Составьте уравнения электролиза водных растворов следующих веществ:
а)Ва(ОН)2, б)SrCl2. в)CuCl2, г)НСl,д)Cr(NO3)3. Анод нерастворимый.
7) Составьте уравнения электролиза водного раствора хлорида цинка, если: а) анод цинковый;
б) анод угольный.
8) Составьте уравнения электролиза водного раствора нитрата серебра AgNO3: а)с медными
электродами, б)с графитовыми электродами. Чем отличаются эти процессы? Поясните ответ
Электрохимическая коррозия.
Электрохимическая коррозия-это разрушение металла при соприкосновении с электролитом и возникновение в системе электрического тока.
В атмосферных условиях роль электролита играет водная пленка на металлической поверхности. Электродами являются сам металл и содержащиеся в нем примеси.
При коррозии следует различать анодный процесс и катодную деполяризацию.
Деполяризация – это процесс нейтрализации электронов различными деполяризаторами из окружающей среды; она бывает водородная, кислородная и окислительная.
Водородная деполяризация происходит в кислых средах за счет нейтрализации электронов катионами водорода:
2Н++2е→Н2
Кислородная деполяризация происходит, например, при атмосферной коррозии в нейтральной среде за счет ионизации кислорода:
О2+2Н2О+4е→4ОН-
Примером коррозии с кислородной деполяризацией может служить коррозия технического (загрязненного) железа:
Fe-2e→Fe2+ (на аноде)
О2+2Н2О+4е→4ОН- (на катоде)
В растворе образуется Fe2++2ОН-→Fe(ОН)2, который под влиянием кислорода воздуха окисляется:
4 Fe(ОН)2+О2+2Н2О→4 Fe(ОН)3
В качестве примера с водородной деполяризацией можно рассмотреть коррозию железа в контакте с медью в растворе соляной кислоты.
Более активный металл – железо окисляется, посылая электроны атомам меди, и переходит в раствор в виде ионов Fe2+, а ионы водорода разряжаются (восстанавливаются) на меди:
Fe-2e→Fe2+ (на аноде)
2Н++2е→Н2↑ (на катоде)
Контрольные задания
1. Для защиты от коррозии железо покрывают слоем олова Sn (луженое железо) или слоем цинка (оцинкованное железо). Какие электрохимические процессы будут проходить при нарушении защитного покрытия в луженом и оцинкованном железе а)во влажном воздухе, б) в кислой среде.
2. Изделие из марганца находится в воде и контактирует с медным изделием. Сохранятся ли оба они в неизменном виде?
3. Железное изделие покрыли никелем. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
4. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары алюминий-железо. какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
Литература :
1) Габриелян О.С. Химия: учеб. для студ. проф. учеб. заведений / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. – М., 2005.
2) Габриелян О.С. Химия в тестах, задачах, упражнениях: учеб. пособие для студ. сред. проф. учебных заведений / О.С. Габриелян, Г.Г. Лысова – М., 2006.
3) Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / О.С. Габриелян, Г.Г.Лысова. – М., 2006.
4) Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М., 2006.
5) Габриелян О.С., Остроумов И.Г. Химия: Пособие для поступающих в вузы. – М., 2005.
6) Лидин Р.А., Аликберова Л.Ю. Химия. Справочник для старшеклассников.- М.,2002.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 83; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!