Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Фукусима и Чернобыль сравнение

Введение 4

1. Степень окисления 4

Контрольные вопросы 6

2. Классификация химических реакций 7

Контрольные вопросы 8

3. Окислители и восстановители 7

Контрольные вопросы 8

4. Типы окислительно-восстановительных реакций 9

5. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций 10

5.1. Метод электронного баланса 10

Контрольные вопросы 13

5.2. Метод электронно-ионного баланса 13

Контрольные вопросы 20

Библиографический список 21

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005 Стр. 2 из 23

Останин Н.И., Останина Т.Н. Окислительно-восстановительные реакции

Введение

Окислительно-восстановительные реакции играют большую роль в природе и тех-

нике. Окислительно-восстановительные процессы происходят при сгорании топлива и

коррозии металлов, при электролизе, при работе гальванических элементов и аккумулято-

ров. Они лежат в основе металлургических и большинства химических процессов, а также

круговорота элементов в природе и мероприятий по охране природы. Они являются осно-

вой жизнедеятельности клетки и биосферы.

1. Степень окисления

Понятие степень окисления введено для характеристики состояния атома в соеди-

нении. При определении степени окисления предполагают, что в соединениях валентные

электроны переходят к более электроотрицательным атомам, а потому соединения состоят

только из положительно и отрицательно заряженных ионов. В действительности полного

смещения электронной пары от одного атома к другому не происходит. Однако понятие

«степень окисления» очень полезно для классификации веществ, составления химических

формул соединений и нахождения стехиометрических коэффициентов уравнений химиче-

ских реакций.

Степень окисления − это условный заряд атома в соединении, вычисленный

из предположения, что соединение состоит из ионов.

Степень окисления может иметь положительное, отрицательное и нулевое значе-

ние, которое обычно принято указывать арабской цифрой сверху символа элемента со

знаком «+» или «−» перед цифрой.

Для вычисления неизвестных степеней окисления используют следующие правила:

1) атомы в молекулах простых веществ имеют степень окисления равную ну-

лю. Это объясняется тем, что в таких молекулах смещения электронной пары не происхо-

дит, так как значение электроотрицательностей атомов элементов одинаково;

2) в молекулах алгебраическая сумма степеней окисления атомов с учетом их

числа равна нулю (молекула электронейтральна);

3) сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав сложного иона

равна заряду этого иона;

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005 Стр. 3 из 23

Останин Н.И., Останина Т.Н. Окислительно-восстановительные реакции

4) степень окисления щелочных металлов (первая группа, главная подгруппа,

S-элементы Li, Na, K ...) всегда равна +1. У атомов этих элементов на внешнем уровне

имеется только один валентный электрон, который они отдают более электроотрицатель-

ному атому и приобретают заряд +1;

5) степень окисления щелочноземельных металлов (вторая группа, главная

подгруппа, S-элементы Be, Mg, Ca ...) всегда равна +2;

6) водород во всех соединениях, кроме гидридов, имеет степень окисления +1.

В гидридах NaH, CaH2 и др. степень окисления водорода равна −1;

7) степень окисления кислорода -2. Исключение составляют пероксиды (H2O2,

степень окисления кислорода -1) и фторид кислорода (F2O, степень окисления кислорода +2);

8) фтор в соединениях всегда имеет степень окисления -1. У атома фтора самая большая элек-

троотрицательность, поэтому он может только присоединять электроны, до заполнения последнего электрон-

ного уровня атому фтора не хватает одного электрона, приняв электрон, атом приобретает заряд -1.

Пользуясь этими правилами, можно определить степень окисления атомов в слож-

ных соединениях или ионах.

Рассчитаем степень окисления хрома в молекуле дихромата калия K2Cr2O7:

+1 x −2

K 2 Cr2 O 7

Зная степени окисления калия (+1), кислорода (–2) и, приняв за x степень окисле-

ния хрома, составляем уравнение:

2 ⋅ (+ 1) + 2 x + 7 ⋅ (− 2 ) = 0

Решаем полученное уравнение:

+ 2 + 2 x − 14 = 0 ,

2 x = +14 − 2 ,

x = +6 .

Степень окисления хрома равна +6:

+1 +6 −2

K 2 Cr2 O 7 .

Можно вычислить степень окисления атома элемента и другим способом. Напри-

мер, определим степень окисления хлора в молекуле хлорной кислоты HClO 4 .

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005 Стр. 4 из 23

Останин Н.И., Останина Т.Н. Окислительно-восстановительные реакции

Записываем молекулу хлорной кислоты и указываем степени окисления водорода

(+1) и кислорода (–2):

+1 x −2

H Cl O 4

Самым электроотрицательным элементом в данном соединении является кислород.

Определяем общий заряд на 4 атомах кислорода 4 ⋅ (− 2 ) = −8 и записываем его над

химическим символом кислорода:

+8 −8

+1 x −2

H Cl O 4

Поскольку молекула электронейтральна, то сумма степеней окисления атомов во-

дорода и хлора должна быть равна +8. Зная степень окисления атома водорода (+1), вы-

числяем степень окисления хлора:

+1+ x = 8 ,

x = +7

Степень окисления хлора записываем над химическим символом элемента:

+8 −8

+1 +7 −2

H Cl O 4

Полезно помнить заряды часто встречающихся кислотных остатков:

F − , Cl − , Br − , I − , NO 2 , NO 3 , S 2− , SO 3− , SO 2− , CO 3− , PO 3− . Это поможет при определении

− − 2

степеней окисления (или зарядов катионов) металлов в молекулах солей.

Рассчитаем степень окисления меди и серы в молекуле сульфата меди CuSO4.

Сульфат-ион имеет заряд (2–). Он является кислотным остатком серной кислоты

H2SO4, поэтому степень окисления меди определяем по уравнению:

x + (− 2 ) = 0 и x = +2

Степень окисления меди в этой молекуле равна +2. Степень окисления серы в ионе

SO42– находим, учитывая правило 3, из следующего уравнения:

x + 4 ⋅ (− 2 ) = −2 ,

x = +6

+2 +6 −2

Cu S O 4

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005 Стр. 5 из 23

Останин Н.И., Останина Т.Н. Окислительно-восстановительные реакции

Контрольные вопросы

1. Почему металлы в соединениях проявляют только положительные степени окисления,

а неметаллы как положительные, так и отрицательные?

2. Определить степень окисления азота в следующих соединениях:

NH3, N2H4, N2O, N2O4, N2O5, NH2OH, KNO3, Ca(NO2)2, NH4NO3, (NH4)2S.

3. Определить степень окисления хлора в следующих соединениях:

HCl, Cl2O3, Cl2O7, HClO3, Ca(ClO)2, NaClO4, BaCl2.

4. Определить степень окисления серы в ионах: SO 3 2 , HS − , S2 O 7− , HSO 3 , HSO 4 , S 2 O 3− .

− 2 − − 2

2. Классификация химических реакций

Все химические реакции можно разделить на 2 группы:

1. Обменные реакции − это реакции, при которых происходит лишь рекомбинация ионов

или атомов, но степень их окисления не изменяется.

+1 −1 +1 −2 +1 +1 −1 +1 −2

H Cl + Na O H → Na Cl + H 2 O ,

+2 −1 + 1 +6 −2 −2 +6 −2 +1 −1

Ca Cl 2 + Na 2 S O 4 → Ca S O 4 ↓ + 2 Na Cl

2. Окислительно-восстановительные реакции − это реакции, при которых происходит из-

менение степени окисления атомов реагирующих веществ.

+1 +7 −2 +1 −1 +2 −1 0 + 1 −1 +1 − 2

2K Mn O 4 + 16H Cl → 2Mn Cl 2 + 5Cl 2 + 2K Cl + 8H 2 O ,

−2 +1 −2 +1 0 +4 −2 +1 −2

C 2 H 5 O H + 3O 2 → 2C O 2 + 3H 2 O .

Контрольные вопросы

Укажите, какие из приведенных реакций являются окислительно-восстановительными:

1) 2 Zn + O 2 → 2ZnO ;

2) ZnO + N 2 O 5 → Zn ( NO 3 ) 2 ;

3) 2KOH + H 2 SO 4 → K 2 SO 4 + 2H 2 O ;

4) I 2 + 2 NaOH → NaIO + NaI + H 2 O ;

5) Na 2 CO 3 + CuCl 2 → CuCO 3 ↓ +2 NaCl ;

6) 2H 2 S + H 2 SO 3 → 3S + 3H 2 O .

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005 Стр. 6 из 23

Останин Н.И., Останина Т.Н. Окислительно-восстановительные реакции

3. Окислители и восстановители

Окисление − процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом.

Восстановление − процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом.

Окислитель − это частица, присоединяющая электроны. Окислитель в ходе реак-

ции восстанавливается, степень окисления его понижается.

Восстановитель − это частица, отдающая электроны. Восстановитель в ходе реак-

ции окисляется, степень его окисления увеличивается.

Рассмотрим эти положения на примере реакции цинка с соляной кислотой.

0 +1 −1 +2 −1 +1

Zn + 2H Cl → Zn Cl 2 + H 2 ;

0 +2

окисление Zn − 2e → Zn ; Zn − восстановитель;

+1 0

восстановление 2H + 2e → H 2 ; H + − окислитель.

Окисление и восстановление - стадии одного процесса, они всегда взаимосвязаны.

Окислители и восстановители могут быть как простыми веществами, т. е. состоя-

щими из одного элемента, так и сложными.

Только окислительные свойства проявляют:

- свободные F2 и O2 (атомы этих элементов обладают наибольшей электроотрица-

тельностью - 4,0 и 3,5 соответственно и поэтому могут только присоединять электроны);

- атомы элементов в составе простых (H+, K+, Cu2+, Al3+) и сложных ионов

⎛ +5 − +6 2− +6 2− +7 − ⎞

⎜ N O 3 , S O 4 , Cr2 O 7 , Mn O 4 ⎟ , имеющие высшую положительную степень окисления.

⎝ ⎠

Эти атомы уже отдали все валентные электроны другим более электроотрицательным атомам и могут только

присоединять электроны. Высшая положительная степень окисления соответствует номеру группы, в кото-

рой находится элемент в периодической системе.

Только восстановительные свойства проявляют:

- атомы металлов в свободном состоянии (K, Ca, Zn, Al), потому что они обладают

малой электроотрицательностью и, следовательно, могут только отдавать электроны;

- атомы неметаллов, имеющие низшую отрицательную степень окисления S 2− ,

−3

Cl − , N H 3 . Эти атомы имеют полностью заполненный валентный уровень, они не могут

больше присоединять электроны, а способны только отдавать их. Низшую отрицательную

степень окисления атома элемента можно рассчитать по формуле (8 − № группы) .

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005 Стр. 7 из 23

Останин Н.И., Останина Т.Н. Окислительно-восстановительные реакции

Атомы, имеющие в соединениях промежуточные степени окисления, могут прояв-

+4 +4 +3

лять как окислительные, так и восстановительные свойства Mn O 2 , S O 2 , N O 2 , Fe 2+ .

−

Контрольные вопросы

1. Как изменяются окислительно-восстановительные свойства элементов в периодах и

группах периодической системы элементов Д.И. Менделеева?

2. Почему металлы обладают только восстановительными свойствами, а неметаллы − двойст-

венными свойствами (выступают как в роли окислителей, так и роли восстановителей)?

3. Для каких сложных веществ характерны только окислительные свойства?

4. Какие из перечисленных веществ и за счет каких элементов проявляют обычно окислительные

свойства, и какие − восстановительные? Указать те из них, которые обладают окислительно-

восстановительной двойственностью: H2S, SO2, CO, Zn, F2, NaNO2, KMnO4, HClO, H2SbO3.

5. В каких уравнениях реакций оксид марганца проявляет свойства окислителя, а в каких − восстановителя:

а) 2MnO2+2H2SO4→2MnSO4+O2+2H2O;

б) 2MnO2+O2+4KOH→2K2MnO4+2H2O;

в) MnO2+H2→MnO+H2O;

г) 2MnO2+3NaBiO3+6HNO3→2HMnO4+3BiONO3+3NaNO3+2H2O.

4. Типы окислительно-восстановительных реакций

Различают три типа окислительно-восстановительных реакций:

1. Межмолекулярные реакции − степень окисления изменяют атомы, входящие в

состав разных исходных веществ:

0 +3 −2 +3 −2 0

2Al + Cr2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Cr .

2. Внутримолекулярные реакции − атомы, изменяющие степень окисления, входят

в состав одного соединения:

+1 +5 −2 +1 −1 0

2K Cl O3 → 2K Cl + 3O 2 .

3. Реакции диспропорционирования − атомы одного элемента проявляют свойства

окислителя и восстановителя:

+1 −1 0 +2 −1

2Cu I → Cu + Cu I 2

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005 Стр. 8 из 23

Останин Н.И., Останина Т.Н. Окислительно-восстановительные реакции

5. Составление уравнений

окислительно-восстановительных реакций

Применяют два метода составления уравнений окислительно-восстановительных

реакций: метод электронного баланса и метод ионно-электронного баланса (метод полу-

реакций).

5.1. Метод электронного баланса

В основу метода положено определение степеней окисления атомов в исходных

веществах и продуктах реакции с последующим нахождением числа электронов, отдан-

ных восстановителем и присоединенных окислителем.

Метод подбора коэффициентов с помощью электронного баланса складывается из

следующих этапов:

1) записывают формулы исходных веществ и продуктов реакции;