Окислительно-восстановительные реакции



Скачать 77.32 Kb.
Дата02.02.2018
Размер77.32 Kb.

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

'

Одним из основных понятий химии является степень окисления, которая характеризует состояние атомов в молеку­лах и определяется природой химической связи.



При образовании связи между одинаковыми атомами (на­пример, Н2, О2, С12) связывающая электронная пара располо­жена симметрично относительно ядер этих атомов — связь неполярная, атомы не имеют эффективных зарядов.

В случае взаимодействия атомов различных неметаллов (например, в соединениях НС1, СО2, Н2О) образуется ковалентная полярная связь: электронная пара частично смещена к более электроотрицательному атому. На этом атоме появляет­ся эффективный отрицательный заряд, а на менее электроот­рицательном — эффективный положительный заряд.

Если значения электроотрицательности взаимодействую­щих атомов различаются существенно (например, в соедине­ниях типичных металлов и неметаллов NаС1, К1, Li2О), то электронная пара практически полностью переходит к более электроотрицательному атому, заряды на атомах становятся \ максимальными, атомы превращаются в ионы.

Алгебраическая сумма полярных связей, образованных атомом в данной молекуле, определяет его степень окисления, а направление смещения электронной пары определяет знак степени окисления («+» или «-»). Например, в молекуле воды Н2О атом кислорода образует по одной полярной связи с каждым атомом водорода. Значения электроотрицательности Н и О равны соответственно 2,2 и 3,5, поэтому электронные пары смещены к атому кислорода. Следовательно, степень окисле­ния водорода равна +1, а кислорода-2.

Естественно, в ионных соединениях степень окисления атомов совпадает с зарядом их ионов. Поэтому формально степенью окисления называется заряд атома в молекуле, вычисленный исходя из предположения, что соединение состоит из ионов.

Некоторые элементы в соединениях имеют одну степень окисления, большинство могут проявлять несколько значений. Для определения степени окисления используют следующие эмпирические правила.

1.В молекулах простых веществ нет полярных связей, по­этому степень окисления атомов в простых веществах равна нулю (например, Н20, N20, Cu0, S0 ).

2.Для водорода в соединениях характерна степень окис­ления +1, только в гидридах металлов она равна -1; степень окисления кислорода обычно равна -2, кроме пероксидов (-1) и соединения с фтором F2О(+2); фтор имеет постоянную сте­пень окисления -1.

3.Металлы 1 и 2 групп главных подгрупп таблицы Мен­делеева в соединениях имеют постоянную степень окисления, совпадающую с номером группы таблицы.

4.Молекула в целом электронейтральна, сумма степеней окисления всех элементов в молекуле равна нулю. В сложном ионе сумма степеней окисления всех атомов этого иона равна заряду иона.


Определим в качестве примера степени окисления атомов в некоторых соединениях. Для этого обозначим неизвестную степень окисления атомов С, N, S, Сг через х, умножим сте­пени окисления всех элементов на число их атомов в соедине­нии и составим уравнения, откуда найдем х:

Максимальная положительная степень окисления имеет периодическую зависимость от порядкового номера элемента и положения в группе периодической системы.


Окислительно-восстановительные реакции

При химических реакциях число и характер связей между взаимодействующими атомами могут меняться, т.е. могут из­меняться степени окисления атомов в молекулах,



Реакции, в результате которых изменяются степени окисления элементов, называются окислительно-восстановительными.

Примеры окислительно-восстановительных реакций (со­кращенно ОВР):



Изменение степени окисления связано со смещением или передачей электронов. Независимо от того, переходят ли электроны с одного атома на другой или лишь частично оття­гиваются одним из атомов, условно говорят об отдаче и при­соединении электронов.



Процесс отдачи электронов атомом или ионом называет­ся окислением. Процесс присоединения электронов называется восстановлением.

Вещества, атомы или ионы которых отдают электроны, называются восстановителями. В ходе реакции они окисля­ются. Вещества, атомы или ионы которых присоединяют электроны, называются окислителями. В ходе реакции они восстанавливаются.

Процессы окисления и восстановления изображаются электронными уравнениями, в которых указывается измене­ние степени окисления взаимодействующих атомов и количе­ство электронов, отданных восстановителем или принятых окислителем.



Примеры уравнений, выражающих процессы окисления:



Уравнения, выражающие процессы восстановления:



Окислительно-восстановительная реакция - это единый процесс, в котором окисление и восстановление протекают одновременно. Окисление одного атома всегда сопровождает­ся восстановлением другого и наоборот. При этом общее чис­ло электронов, отдаваемых восстановителем, равно числу электронов, присоединяемых окислителем.
В соответствии с законом эквивалентов массы реагирую­щих веществ относятся друг к другу как молярные массы их эквивалентов. Эквивалентное количество вещества в ОВР за­висит от числа электронов, отдаваемых или присоединяемых его атомами.

Например, в реакции

атом Mn присоединяет 5 электронов, поэтому эквивалентным количеством КMnО4 является 1/5 моль, а атом S отдает 2 электрона и эквивалентным количеством К2SO3 является 1/2 моль. Соответственно молярная масса эквивалента КMnО4 равна Мэкв = 31,6г/ моль .



Типы окислительно-восстановительных реакций

Различают три типа химических ОВР: межмолекулярные, внутримолекулярные и реакции самоокисления-самовосстановления. Отдельную группу составляют электро­химические реакции.

1. Межмолекулярные ОВР — это реакции, в которых окислитель и восстановитель являются разными веществами:

2. Внутримолекулярные ОВР — это реакции, в которых меняются степени окисления разных атомов одной молекулы:



3. Реакции самоокисления-самовосстановления — это ре­акции, в которых происходит окисление и восстановление атомов одного и того же элемента:



4. Электрохимические реакции — это ОВР, в которых процессы окисления и восстановления разделены пространст­венно (протекают на отдельных электродах), а электроны пе­редаются от восстановителя к окислителю по внешней электрической цепи:




Окислительно-восстановительные реакции обычно имеют сложный характер, но, зная формулы исходных веществ и продуктов реакции и умея определять степени окисления эле­ментов, можно легко составить уравнение любой ОВР.
Алгоритм составления уравнений окислительно-восстановительных реакций

Существует несколько методов составления уравнений окислительно-восстановительных реакций. Мы используем метод электронного баланса, при котором составление урав­нения ОВР проводится в следующей последовательности:

1 .Составляют схему реакции, указав вещества, вступив­шие в реакцию, и вещества, получившиеся в результате реак­ции, например:

2.Определяют степень окисления атомов и пишут ее знак и величину над символами элементов, отмечая элементы, сте­пень окисления которых изменилась:



3.Записывают электронные уравнения реакций окисления и восстановления, определяют число электронов, отданных восстановителем и принятых окислителем, и затем уравнива­ют их, умножая на соответствующие коэффициенты:



4.Полученные коэффициенты, отвечающие электронному балансу, переносят в основное уравнение:



5.Уравнивают число атомов и ионов, не меняющих степе­ни окисления (в последовательности: металлы, неметаллы, водород):



6.Проверяют правильность подбора коэффициентов по числу атомов кислорода в левой и правой части уравнения ре­акции - они должны быть равны (в этом уравнении 24 = 18 + 2 + 4, 24 = 24).

Рассмотрим более сложный пример:

Определим степени окисления атомов в молекулах:



Составим электронные уравнения полуреакций окисления и восстановления и уравняем число отданных и принятых электронов:



Перенесем коэффициенты в основное уравнение:



Подсчитав число атомов кислорода в правой и левой час­ти уравнения, убедимся, что коэффициенты подобраны пра­вильно.


Важнейшие окислители и восстановители

Окислительно-восстановительные свойства элементов за­висят от строения электронной оболочки атомов и определя­ются их положением в периодической системе Менделеева.

Металлы, имея на внешнем энергетическом уровне 1-3 электрона, легко их отдают и проявляют только восстанови­тельные свойства. Неметаллы (элементы IV-VII групп) могут, как отдавать, так и принимать электроны, поэтому они могут проявлять и восстановительные и окислительные свойства. В периодах с увеличением порядкового номера элемента вос­становительные свойства простых веществ ослабевают, а окислительные усиливаются. В группах с повышением поряд­кового номера восстановительные свойства усиливаются, а окислительные ослабевают.

Таким образом, из простых ве­ществ лучшими восстановителями являются щелочные ме­таллы, водород, углерод; лучшими окислителями являются галогены и кислород.

Окислительно-восстановительные свойства сложных ве­ществ зависят от степени окисления атомов, входящих в их состав. Вещества, содержащие атомы с низшей степенью окисления, проявляют восстановительные свойства.

Важнейшими восстановителями являются оксид углерода С+2О, сероводород H2S-2, сульфат железа(II) Fe+2SO4.



Вещества, в состав которых входят атомы с высшей степенью окисле­ния, проявляют окислительные свойства. Важнейшими окислителями являются перманганат калия KMn+7O4, дихромат калия K2Cr+6O7, пероксид водорода H2O2-1, азотная кислота HN+5O3, концентрированная серная кислота H2S+6O4.

Вещества, содержащие атомы с промежуточной сте­пенью окисления, могут вести себя как окислители или вос­становители в зависимости от свойств веществ, с которыми они взаимодействуют, и условий протекания реакции.

Так в реакции с KMnO4 сернистая кислота проявляет восстанови­тельные свойства:



а при взаимодействии с сероводородом является окислителем:



Кроме того, для таких веществ возможны реакции само­окисления-самовосстановления, протекающие с одновремен­ным увеличением и уменьшением степени окисления атомов одного и того же элемента, например:




Сила многих окислителей и восстановителей зависит от рН среды. Например, KMn+7O4 в щелочной среде восстанавливается до K2MnO4, в нейтральной до Mn+4O2, в кислой - до Mn+2SO4.
Практическое применение окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительные реакции являются са­мыми распространенными и играют важную роль в природе и технике. Дыхание и обмен веществ живых организмов, корро­зия металлов, горение топлива — это примеры окислительно-восстановительных реакций.



С помощью ОВР получают ме­таллы, щелочи, кислоты и многие другие ценные продукты. ОВР используют для очистки веществ, природных и сточных вод, газовых выбросов предприятий. Окислители и восстано­вители, образующие окрашенные растворы, широко приме­няют для анализа различных веществ методом титрования.
Каталог: new -> SubjectFGOS
SubjectFGOS -> Лекция №6 экологические принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы. Основы экономики природопользования
SubjectFGOS -> Методические указания к практическим занятиям и самостоятельной работе студентов по курсу математики для студентов всех специальностей
SubjectFGOS -> Основы порошковой металлургии
SubjectFGOS -> Учебное пособие для студентов всех специальностей Саратов 2009 Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком
SubjectFGOS -> 10. Особо опасные экотоксиканты
SubjectFGOS -> Вопросы для подготовки к экзамену по информатике
SubjectFGOS -> Лекция №8 Метаболизм микроорганизмов План лекции: Обмен веществ как совокупность реакций катаболизма и анаболизма
SubjectFGOS -> Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Информатика» студентами направления 080500. 62 «Менеджмент»
SubjectFGOS -> Информационные технологии в управлении
SubjectFGOS -> Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Основы технологии производства и ремонта автомобилей" для студентов специальности


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница