Transcript 11 - ОВР
Лекция № 5. ОКИСЛИТЕЛЬНОВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ (ОВР) Лекция № 11 А.И. Малышев, проф. ОТИ НИЯУ МИФИ ОВР Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называются такие реакции, в результате которых изменяется степень окисления одного или нескольких элементов, входящих в состав реагирующих веществ. ОВР – это такая реакция, в которой в результате переноса электронов от восстановителя к окислителю образуется новый окислитель и новый восстановитель. ОВР В ОВ-реакции участвуют две сопряженные окислительно-восстановительные пары: одна состоит из исходного окислителя и его восстановленной формы, а другая – из исходного восстановителя и его окисленной формы: +2e Сu2+ + Fe0 = Cu0 + Fe2+ -2e Сu2+/ Cu0 - исход. окислитель и его восстановленная форма Fe2+/ Fe0 - исход. восстановитель и его окисленная форма СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ. ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ Степень окисления элемента в соединении есть число электронов, смещенных от атома данного элемента к другим атомам (при положительной окисленности) или от других атомов к атому данного элемента (при отрицательной окисленности). Для вычисления степени окисления элемента в соединении следует исходить из следующих положений: 1) степени окисления элементов в простых веществах принимаются равными нулю; 2) алгебраическая сумма степеней окисленности всех атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю, а в сложных ионах – заряду иона; СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ. ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ Вычисление степени окисления основные положения: 3) постоянную степень окисления в соединениях проявляют щелочные металлы (+1), металлы главной подгруппы II группы, цинк и кадмий (+2); 4) Водород проявляет степень окисления +1 во всех соединениях, кроме гидридов металлов (NaH, CaH2 и т. п.), где его степень окисления равна -1; 5) степень окисления кислорода в соединениях равна -2, за исключением пероксидов (-1) и фторида кислорода OF2 (+2). ВЫЧИСЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ: ПРИМЕР. а) Установить степень окисленности азота в соединениях: NH3, N2H4, NH2OH, N2О , NO, NО2, НNО2 и НNО3; б) Установить степень окисленности хрома и марганца в ионах: [Cr(OH)6]3- , CrO2‾ , CrO42- ; MnO42-, MnO4‾ Лекция № 16 1. Межмолекулярные реакции: KMnO4 + 8HCl → MnCl2 + KCl + Cl2 + H2O HIO3 + H2O2 → I2 + O2 + H2O К2SO3 + K2Cr2O7 + H2SO4 → Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O 2. Внутримолекулярные реакции: (NH4)2Cr2O7 → N2 + Cr2O3 + H2O 3. Реакции диспропорционирования: 2H2MnO4 → HMnO4 + MnO2 KOH + Cl2 → KCl + KClO3 HNO2 + HNO2 → HNO3 + NO + H2O 4. Реакции конпропорционирования: KMnO4 + MnSO4 + H2O → MnO2 + K2SO4 + H2SO4 ОКИСЛИТЕЛИ И ВОССТАНОВИТЕЛИ Окислители 1. Окислительные свойства характерны для типичных неметаллов (F2, Cl2, Вг2, I2, О2) в элементарном (свободном) состоянии. 2. Среди кислородсодержащих кислот и их солей к наиболее важным окислителям относятся КМnO4, К2СrO4, К2Сr2O7, концентрированная серная кислота, азотная кислота и нитраты, кислородсодержащие кислоты галогенов и их соли. ОКИСЛИТЕЛИ И ВОССТАНОВИТЕЛИ Окислители 3. Водород в степени окисленности +1 выступает как окислитель преимущественно в растворах кислот (как правило, при взаимодействии с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода): 4. Ионы м е т а л л о в , находящиеся в высшей с т е п е н и окисленности (например, Fe3+, Cu2+, Hg2+), выполняя функцию окислителей, превращаются в ионы с более низкой степенью окисленности: 2FeCl3 + H2S = 2FeCl2 + S + 2HCl, 2 HgCl2 + SnCl2 = Hg2Cl2 + SnСl4 . ОКИСЛИТЕЛИ И ВОССТАНОВИТЕЛИ Восстановители 1. Среди элементарных в е щ е с т в к типичным восстановителям принадлежат активные металлы (щелочные и щелочноземельные, цинк, алюминий, железо и др.), а также некоторые неметаллы, такие, как водород, углерод (в виде угля или кокса), фосфор, кремний. 2. В бескислородных к и с л о т а х (НСl, HBr, HI, H2S) и их с о л я х носителями восстановительной функции являются анионы, которые, окисляясь, обычно образуют элементарные вещества. ОКИСЛИТЕЛИ И ВОССТАНОВИТЕЛИ Восстановители 3. Г и д р и д ы щелочных и щелочноземельных металлов, содержащие ион Н‾, проявляют восстановительные свойства, легко окисляясь до свободного водорода: СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2 . 4. М е т а л л ы в низшей степени о к и с л е н н о с т и (ионы Sn2+, Fe2+, Cu+, Hg2+ и др.), взаимодействуя с окислителями, способны повышать свою степень окисленности: SnCl2 + Cl2 = SnCl4, АЛГОРИТМ СОСТАВЛЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ОВР При составлении уравнений ОВР рекомендуется придерживаться следующего порядка: 1. Составить схему реакции с указанием исходных и образующихся веществ. 2. Составить схемы полуреакций окисления и восстановления с указанием исходных и образующихся реально существующих в условиях реакции ионов или молекул. 3. Уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях полуреакций; кроме кислорода и водорода в обеих частях уравнения; АЛГОРИТМ СОСТАВЛЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ОВР 4. Уравнять число атомов кислорода и водорода в обеих частях уравнения с помощью молекул Н2О и ионов Н+ и ОН‾ помня, что: а) избыток кислорода в левой части полуреакции в кислых растворах связывается ионами водорода с образованием молекул воды, а в нейтральных и щелочных — молекулами воды с образованием гидроксид-ионов, например, MnO4‾ + 8Н+ + 5е- = Мn2+ + 4 Н2О NО3‾ + 6Н2О + 8е- = NН3 + 9ОН‾ (кислая среда), (нейтральная или щелочная среда) АЛГОРИТМ СОСТАВЛЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ОВР а) недостаток кислорода в левой части полуреакции в кислой и нейтральной средах восполняется за счет молекул воды с образованием ионов водорода, а в щелочной среде — за счет гидроксид-ионов с образованием молекул воды, например, I2 + 6Н2О = 2IO3‾ + 12 Н+ + 10е- (кислая или нейтральная среда), СrO2‾ + 4ОН‾ = CrO42- + 2Н2О + 3е- (щелочная среда). АЛГОРИТМ СОСТАВЛЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ОВР 5. Уравнять с помощью электронов суммарное число зарядов в обеих частях каждой полуреакции; 6. Подобрать множители (основные коэффициенты) для полуреакций так, чтобы число электронов, отдаваемых при окислении, было равно числу электронов, принимаемых при восстановлении. 7. Сложить уравнения полуреакций с учетом найденных основных коэффициентов. 8. Расставить коэффициенты в уравнении реакции. ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ. УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА Количественной мерой способности окисленной формы окислительно–восстановительной пары присоединять электроны и стремление восстановленной формы отдавать их служит электродный потенциал (ЭП). ЭП зависит от природы ОВ – пары, концентрации окисленной [Ox] и восстановленной [Red] форм вещества, температуры и описывается уравнением Нернста: φ = φº + RT ZF ln [Ox] [Red] где φº – стандартный электродный потенциал Значения φº берутся относительно системы: Н+ (p) + ē 1/2 Н2 (г) φºН+/½ Н2 = 0 Таблица стандартных электродных потенциалов некоторых окислительно – восстановительных систем. Уравнение электродного процесса Стандартный потенциал Eº при 25ºС, В Na+ + ē = Na Mg2+ + 2ē = Mg Al3+ + 3ē = Al Zn2+ + 2ē = Zn Fe2+ + 2ē = Fe Ni2+ + 2ē = Ni -2,714 -2,363 -1,663 -0,763 -0,44 -0,25 2 H+ + 2ē = H2 0 Ag+ + ē = Ag NO3– + 4 H+ + 3ē = NO + H2O Br2 + 2ē = 2 Br– MnO2 + 4 H+ + 2ē = Mn2+ + 2 H2O Cl2 + 2ē = 2 Cl– MnO4– + 8 H+ + 5ē = Mn2+ + 4 H2O F2 + 2ē = 2 F– 0,8 0,96 1,07 1,23 1,36 1,51 2,87 НАПРАВЛЕНИЕ ПРОТЕКАНИЯ ОВР Знание стандартных потенциалов пар, участвующих в окислительно-восстановительной реакции, позволяет оценить возможность протекания реакции в выбранном направении. Окисленная форма 2 5 Восстановленная форма MnO4– + 8 H+ + 5 ē = Mn2+ + 4 H2O Br2 + 2ē = 2 MnO4– + 10 Br– + 16 H+ 2 Br– Eº 1,51 1,07 2 Mn2+ + 5 Br2 + 8 H2O ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ По теме «ОВР» ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Пример 1. Закончить уравнение реакции окисления сульфида мышьяка (III) концентрированной азотной кислотой происходит по схеме: As2S3 + НNО3 → Н3AsO4 + Н2SО4 + NО . ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Решение. 1. В ходе реакции мышьяк и сера окисляются азот восстанавливается; 2. Составим полуреакцию окисления As2S3: а) As2S3 → 2AsO43- + 3SO42б) As2S3 + 20 H2O = 2AsO43- + 3SO42- + 40 H+. в) As2S3 + 20 Н2О - 28е = 2AsO43- + 3SO42- + 40 Н+ 3. Составим полуреакцию восстановления нитратиона: а) NО3‾ → NО б) NО3‾ + 4H+ →NO + 2H2О в) NО3‾ + 4H+ + 3e- = NO + 2H2О . ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Решение. 4. Складываем полуреакции окисления (в) и восстановления, уравнивая число отданных и присоединенных электронов; As2S3 + 20 Н2О - 28е- = 2AsO43- + 3SO42- + 40 Н+ 3 NО3‾ + 4H+ + 3e- = NO + 2H2О 28 3As2S3 + 28NО3‾ + 112 Н+ + 60 Н2О = = 6AsO43- + 9SO42- + 28NО + 120 Н+ + 56Н2О . 5. После приведения подобных членов в обеих частях уравнения получаем 3As2S3+ 28NО3‾ + 4Н2О = 6AsO43- + 9SO42- + 28NО+ 8Н+ или в молекулярной форме: 3As2S3 +28НNОз+ 4Н2О = 6Н3AsO4+ 9Н2SО4+ 28NО. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ По теме «ОВР» ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ 1. Закончить уравнения реакций: а) Мn(OН)2 + Сl2 + КОН = МnO2 + б) МnO2 + O2 + КОН = К2МnO4 + B ) FeSO4 + Br2 + H2SO4 = г) NaAsO2 + I2 + NaOH = Na3AsO4 + 2. Закончить уравнения реакций, в которых окислителем служит концентрированная азотная кислота: a) C + HNO3 → СO2 + 6) Sb + HNO3 → HSbO3 + B) Bi + HN03 → Bi(NO3)3 + г) PbS + HNO3 → PbSO4 + NO2 + ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ 634. Закончить уравнения реакций самоокислениясамовосстановления (диспропорционирования): а) I2 + Ва(ОН)2 → Ва(IO3)2 + б) К2SO3 → К2S + в) НСlO3 → СlO2 + г) Р2O3 + Н2О → РН3 + д) Р + КОН + Н2O → КН2РO2 + РН3 е) Те + КОН → К2ТеO3 + ТЕСТЫ Тест 1. Указать, какие из перечисленных реакций относятся к окислительно-восстановительным: а) Cr2(SО4)3 + 6RbOН = 2Сr(ОН)3 + 3Rb2SО4 ; б) 2Rb+2H2О = 2RbOH + H2; в) 2CuI2 = 2CuI + I2; г) NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3 + HОО ; д) 2К4[Fe(CN)6] + Br2 = 2К3[Fe(CN)6] + 2 КBr 616. Среди приведенных превращений указать реакции диспропорциоиирования: а) S + KOH → K2SJ3 + K2S + H2О ; б) Аu2О3 → Аu + О2 ; в) НСl + СrO3 → СrСl3 + Сl2+Н2O; г) HClO3 → ClO2 + HClO4; д) N2H4 → N2 + NH3; е) AgNO3 → Ag + NO2 + O2 . 617. До каких продуктов может быть окислена вода: а) до O2 и Н+; б) до ОН‾ и Н2; в) до 2OН‾? 617. До каких продуктов может быть восстановлена вода: а) до O2 и Н+; б) до Н2 и 2ОН‾; в) до 2OН‾? 618. В каких из указанных превращений кислород выполняет функции восстановителя: а) Ag2О → Ag + O2 ; б) F2 + H2O → HF + O 2 ; в) NH3 + O2 → N2 + H2O ; г) AgNO3 + KOH + H2O2 → Ag + KNO3 + O2 . 618. В каких из указанных превращений кислород выполняет функции окислителя: а) Ag2О → Ag + O2; в) NH3 + O2 → N2 + H2O; г) AgNO3 + KOH + H2O2 → Ag + KNO3 + O2; б) F2 + H2O → HF + O2;