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+6O4-2Mn+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↑    

     -1-2е → Н2 0       1 восстановитель

   +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+2

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         2О+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 ↑                                           2О-4е→4Н+2

         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-2↑+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+2↑       1

________________________________________________

           4 Н2О+2 Н2О =4 ОН-+2↑++2↑ или в молекулярном виде

     4 Н2О+2 Н2О =4 Н2О+2↑+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+2↑          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+2↑          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)22+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!

Поделиться с друзьями:




Мы поможем в написании ваших работ!