- •Г.К.Севастьянова, т.М.Карнаухова Общая химия
- •1. Основные понятия и законы химии
- •1.1. Определение химии. Предмет химии. Её связь с другими науками. Значение химии в изучении природы и развитии техники.
- •1.2. Основные понятия химии
- •1.3. Основные законы химии
- •2. Современная теория строения атома. Периодический закон и система элементов д.И. Менделеева
- •2.1. Общие положения
- •2.2. Развитие представлений о строении атома
- •2.3. Квантово – механическая модель атома водорода. Исходные представления квантовой механики
- •2.4. Модель состояния электрона в атоме
- •2.5. Квантовые числа
- •2.6. Электронные конфигурации (формулы) элементов
- •2.7. Порядок заполнения электронами уровней, подуровней, орбиталей в многоэлектронных атомах
- •2.8. Электронные семейства элементов
- •2.9. Понятие об электронных аналогах
- •2.10. Периодический закон и периодическая система элементов д.И. Менделеева
- •2.11. Структура периодической системы химических элементов д. И. Менделеева
- •2.12. Периодическая система д.И. Менделеева и электронная структура атомов
- •2.13. Периодичность свойств элементов
- •3.Химическая связь и строение молекул
- •3.1. Основные понятия и определения
- •3.2. Теория метода валентных связей
- •3.3. Ковалентная связь
- •3.4. Насыщаемость ковалентной связи
- •3.5. Направленность ковалентной связи
- •3.6. Полярность и поляризуемость химической связи
- •3.7. Полярность молекул (типы ковалентных молекул)
- •3.8. Ионная связь
- •3.9. Металлическая связь
- •4. Основные классы неорганических соединений
- •4.1. Классификация веществ
- •4.2. Оксиды
- •4.3. Гидроксиды
- •4.4. Кислоты
- •4.5. Основания
- •4.6. Соли
- •5. Энергетика и направленность химических процессов (элементы химической термодинамики)
- •5.1 Основные понятия и определения.
- •5.2. Первый закон термодинамики
- •5.3. Тепловой эффект химической реакции. Термохимия. Закон Гесса
- •5.4. Энтропия
- •5.5. Свободная энергия Гиббса
- •5.6. Свободная энергия Гельмгольца
- •6. Химическая кинетика
- •6.1. Основные понятия химической кинетики
- •6.2. Влияние природы реагирующих веществ
- •6.3. Закон действующих масс
- •6.4. Зависимость скорости химической реакции от температуры
- •6.5. Влияние катализатора
- •7. Химическое равновесие
- •7.1. Общие представления о химическом равновесии. Константа химического равновесия
- •7.2. Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье
- •7.3. Фазовые равновесия. Правило фаз Гиббса
- •8. Дисперсные системы. Растворы
- •8.1. Дисперсные системы и их классификация
- •8.2. Общая характеристика растворов
- •8.3. Способы выражения концентрации растворов
- •8.4. Растворимость
- •8.5. Природа жидких растворов
- •8.6. Типы и свойства растворов
- •8.7. Свойства растворов неэлектролитов
- •8.8. Растворы электролитов
- •2. Температура.
- •3. Концентрация раствора.
- •4. Наличие одноименных ионов.
- •8.9. Равновесия и обменные реакции в растворах электролитов
- •8.10. Гидролиз солей
- •8.11. Комплексные соединения
- •9. Окислительно-восстановительные реакции
- •9.1. Общие понятия и определения
- •9.2. Восстановители и окислители
- •Важнейшие восстановители и окислители
- •9.3. Влияние среды на окислительно-восстановительные реакции
- •Кислая среда бесцветная или
- •Кислая среда
- •9.4. Типы окислительно-восстановительных реакций
- •9.5. Окислительно – восстановительные (электродные) потенциалы
- •9.6. Направление протекания окислительно-восстановительных реакций
- •10. Электрохимические процессы
- •10.1. Гальванические элементы (химические источники электрического тока)
- •10.2. Электролиз
- •10.3. Коррозия металлов
- •10.4. Защита металлов от коррозии
- •11. Свойства металлов
- •11.1. Физические свойства металлов
- •11.2. Химические свойства металлов
- •Очень разб.
- •Малоактивный
- •-2Активный
- •0Средней h2s
- •Литература
- •Приложение 1 Электронные конфигурации элементов
- •Содержание
9. Окислительно-восстановительные реакции
9.1. Общие понятия и определения
Реакции, в ходе которых элементы, входящие в состав реагирующих веществ, изменяют степень окисления, называются окислительно – восстановительными (ОВР).
Степень окисления. Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления. Степень окисления (с.о.) – это условный заряд, который приписывается атому в предположении, что все связи в молекуле или ионе предельно поляризованы. Степень окисления элемента в составе молекулы вещества или иона определяется как число электронов, смещенных от атома данного элемента (положительная степень окисления) или к атому данного элемента (отрицательная степень окисления). Для вычисления степени окисления элемента в соединении следует исходить из следующих положений (правил):
1. Степень окисления элементов в простых веществах, в металлах в элементном состоянии, в соединениях с неполярными связями равны нулю. Примерами таких соединений являютсяN20, Н20, Сl20,I20, Мg0,Fe0и т.д.
2. В сложных веществах отрицательную степень окисления имеют элементы с большей электроотрицательностью.
Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.
+1 +7 -2
HClO4
О-2
О-2ClО-2 Н+Элемент ЭО
О-2Н 2,1
Cl3,0
О 3,5
В некоторых случаях степень окисления элемента численно совпадает с валентностью (В) элемента в данном соединении, как, например, в НClО4.
Приведенные ниже примеры показывают, что степень окисления и валентность элемента могут численно различаться:
N ≡ N В (N)=3; с.о.(N)=0
Н+
Н+ C-2 О-2 Н+
Н+
ЭО (C) = 2,5 В(С) = 4 с.о.(С) = -2
ЭО (О) = 3,5 В(О) = 2 с.о.(О) = -2
ЭО (Н) = 2,1 В(Н) = 1 с.о.(Н) = +1
3. Различают высшую, низшую и промежуточные степени окисления.
Высшая степень окисления – это ее наибольшее положительное значение. Высшая степень окисления, как правило, равна номеру группы (N) периодической системы, в которой элемент находится. Например, для элементов III периода она равна: Na+2, Mg+2, AI+3, Si+4, P+5, S+6, CI+7. Исключение составляют фтор, кислород, гелий, неон, аргон, а также элементы подгруппы кобальта и никеля: их высшая степень окисления выражается числом, значение которого ниже, чем номер группы, к которой они относятся. У элементов подгруппы меди, наоборот, высшая степень окисления больше единицы, хотя они и относятся к I группе.
Низшая степень окисления определяется количеством электронов, не достающих до устойчивого состояния атома ns2nр6. Низшая степень окисления для неметаллов равна (N-8), где N – номер группы периодической системы, в которой элемент находится. Например, для неметаллов III периода она равна: Si-4, P-3, S-2,CI ˉ. Низшая степень окисления для металлов – это наименьшее ее положительное значение из возможных. Например, марганец имеет следующие степени окисления: Mn+2, Mn+4, Mn+6, Mn+7; с.о.=+2 – это низшая степень окисления для марганца.
Все остальные встречающиеся степени окисления элемента называют промежуточными. Например, для серы степень окисления, равная +4, является промежуточной.
4. Ряд элементов проявляют в сложных соединениях постоянную степень окисления:
а) щелочные металлы – (+1);
б) металлы второй группы обеих подгрупп (за исключением Нg) – (+2); ртуть может проявлять степени окисления (+1) и (+2);
в) металлы третьей группы, главной подгруппы – (+3), за исключением Tl, который может проявлять степени окисления (+1) и (+3);
г) F-
+1 -1 +2 -1
д) H+, кроме гидридов металлов (NaH, CaH2 и т.д.), где его степень окисления равна (-1);
+1 -1 +2 -1
е) О-2, за исключением пероксидов элементов (Н2О2, СаО2 и т.д.), где степень окисления кислорода равна (-1), надпероксидов элементов
+1 -1/2 +1 -1/2
(КО2, NaO2 и т.д.), в которых его степень окисления равна – ½, фторида
+2 -1
кислорода ОF2.
5. Большинство элементов могут проявлять разную степень окисления в соединениях. При определении их степени окисления пользуются правилом, согласно которому сумма степеней окисления элементов в электронейтральных молекулах равна нулю, а в сложных ионах – заряду этих ионов.
В качестве примера вычислим степень окисления фосфора в ортофосфорной кислоте Н3РО4. Сумма всех степеней окисления в соединении должна быть равна нулю, поэтому обозначим степень окисления фосфора через Х и, умножив известные степени окисления водорода (+1) и кислорода (-2) на число их атомов в соединении, составим уравнение: (+1)*3+Х+(-2)*4 = 0, из которого Х = +5.
Вычислим степень окисления хрома в дихромат – ионе (Cr2О7)2-.
Сумма всех степеней окисления в сложном ионе должна быть равна (-2), поэтому обозначим степень окисления хрома через Х, составим уравнение 2Х +(-2)*7 = -2, из которого Х = +6.
Понятие степени окисления для большинства соединений имеет условный характер, т.к. не отражает реальный эффективный заряд атома. В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного
+1 -1 +2 -1 +3 -1
атома к другому: NaI ,MgCI2, AIF3. Для соединения с полярной ковалентной связью фактический эффективный заряд меньше степени окисления, однако это понятие весьма широко используется в химии.
Основные положения теории ОВР:
1. Окислением называют процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом. Частицы, отдающие электроны, называют восстановителями;во время реакции они окисляются, образуя продукт окисления. При этом элементы, участвующие в окислении, повышают свою степень окисления. Например:
AI – 3e- AI3+
H2 – 2e- 2H+
Fe 2+ - e- Fe3+
2. Восстановлением называют процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. Частицы, присоединяющие электроны, называютокислителями;во время реакции они восстанавливаются, образуя продукт восстановления. При этом элементы, участвующие в восстановлении, понижают свою степень окисления. Например:
S + 2e- S2-
CI2 + 2e- 2 CI ˉ
Fe3+ + e- Fe 2+
3.Вещества, содержащие частицы восстановители или окислители, соответственно называют восстановителями или окислителями.Например, FeCI2является восстановителем за счет Fe2+, а FeCI3- окислителем за счет Fe3+.
4. Окисление всегда сопровождается восстановлением и, наоборот, восстановление всегда связано с окислением.Таким образом ОВР представляют собой единство двух противоположенных процессов – окисления и восстановления
5. Число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем.
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций. На последнем правиле базируются два метода составления уравнений для ОВР:
1. Метод электронного баланса .
Здесь подсчет числа присоединяемых и теряемых электронов производится на основании значений степеней окисления элементов до и после реакции. Обратимся к простейшему примеру:
Na0 + Cl Na+ Cl
2
2
1 Cl2 + 2eˉ 2 Cl - восстановление
2 Na + Cl2 = 2Na+ + 2Cl
2 Na + Cl2 = 2NaCl
Данный метод используют в том случае, если реакция протекает не в растворе (в газовой фазе, реакции термического разложения и т.д.).
2. Метод ионно-электронный (метод полуреакций).
Данный метод учитывает среду раствора, дает представление о характере частиц реально существующих и взаимодействующих в растворах. Остановимся на нем более подробно.
Алгоритм подбора коэффициентов ионно-электронным методом:
1. Составить молекулярную схему реакции с указанием исходных веществ и продуктов реакции.
2. Составить полную ионно-молекулярную схему реакции, записывая слабые электролиты, малорастворимые, нерастворимые и газообразные вещества в молекулярном виде, а сильные электролиты – в ионном.
3. Исключив из ионно-молекулярной схемы ионы, не изменяющиеся в результате реакции (без учета их количества), переписать схему в кратком ионно-молекулярном виде.
4. Отметить элементы, изменяющие в результате реакции степень окисления; найти окислитель, восстановитель, продукты восстановления, окисления.
5. Составить схемы полуреакций окисления и восстановления, для этого:
а) указать восстановитель и продукт окисления, окислитель и продукт восстановления;
б) уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях полуреакций (выполнить баланс по элементам) в последовательности: элемент, изменяющий степень окисления, кислород, другие элементы; при этом следует помнить, что в водных растворах в реакциях могут участвовать молекулы Н2О, ионы Н+ или ОН – в зависимости от характера среды:
Процесс |
Кислая среда |
Нейтральная среда |
Щелочная среда |
Связывание избытка кислорода |
О-2+2Н+=Н2О |
О-2+Н2О=2ОН ˉ |
О-2+Н2О=2ОН ˉ |
Восполнение недостатка кислорода |
Н2О= О-2+2Н+ |
Н2О = О-2+2Н+ |
2ОН ˉ=О-2+Н2О |
в) уравнять суммарное число зарядов в обеих частях полуреакций; для этого прибавить или отнять в левой части полуреакций необходимое число электронов (баланс по зарядам).
6. Найти наименьшее общее кратное (НОК) для числа отданных и полученных электронов.
7. Найти основные коэффициенты при каждой полуреакции. Для этого полученное в п.6 число (НОК) разделить на число электронов, фигурирующих в данной полуреакции.
8. Умножить полуреакции на полученные основные коэффициенты, сложить их между собой: левую часть с левой, правую – с правой (получить ионно-молекулярное уравнение реакции). При необходимости “привести подобные” ионы с учетом взаимодействия между ионами водорода и гидроксид-ионами: H++OH ˉ= H2O.
9. Расставить коэффициенты в молекулярном уравнении реакции.
10. Провести проверку по частицам, не участвующим в ОВР, исключенным из полной ионно-молекулярной схемы (п.3). При необходимости коэффициенты для них находят подбором.
11. Провести окончательную проверку по кислороду.
Примеры:
1. Кислая среда.
Молекулярная схема реакции:
KMnO4 + NaNO2 + H2SO4 MnSO4 + NaNO3 + H2O + K2SO4
Полная ионно-молекулярная схема реакции:
K++MnO+ Na++NO+2H++ SO Mn2+ + SO+ Na+ + NO+ H2O + 2K+ +SO.
Краткая ионно-молекулярная схема реакции:
+7 +3 +5
MnO+NO+2H+ Mn2+ + NO+ H2O
ок-ль в-ль продукт в-ния продукт ок-ия
В ходе реакции степень окисления Mn понижается от +7 до +2 (марганец восстанавливается), следовательно, MnО– окислитель;Mn2+ - продукт восстановления. Степень окисления азота повышается от +3 до +5 (азот окисляется), следовательно, NO– восстановитель, NO – продукт окисления.
Уравнения полуреакций:
2MnO + 8H++ 5e-Mn2+ + 4H2O- процесс восстановления
10 +7 +(-5) = +2
5 NO + H2O– 2e-NO + 2H+- процесс окисления
-1 -(-2) = +1
2MnO+ 16H+ + 5NO+ 5H2O = 2Mn2+ +8H2O + 5NO + 1OH+ (полное ионно-молекулярное уравнение).
В суммарном уравнении исключаем число одинаковых частиц, находящихся как в левой, так и в правой частях равенства (приводим подобные). В данном случае это ионы Н+ и Н2О .
Краткое ионно-молекулярное уравнение будет иметь вид
2MnO + 6H+ + 5NO 2Mn2+ + 3H2O + 5NO.
В молекулярной форме уравнение имеет вид
2KMnO4 + 5 NaNO2 + 3 H2SO4 = 2MnSO4+5NaNO3 + 3H2O + K2SO4.
Проверим баланс по частицам, которые не участвовали в ОВР:
K+( 2 = 2), Na+(5 = 5), SO(3 = 3). Баланс по кислороду: 30 = 30.
2. Нейтральная среда.
Молекулярная схема реакции:
KMnO4 + NaNO2 + H2O MnO2 + NaNO3 + KOH
Ионно-молекулярная схема реакции:
K+ + MnO+ Na+ + NO+ H2O MnO2 + Na+ + NO+ K+ + OH
Краткая ионно-молекулярная схема:
+7 +3 +4 +5
MnO+ NO+ H2O MnO2 + NO+ OH-
ок-ль в-ль продукт в-ния продукт ок-ия
Уравнения полуреакций:
2MnO+ 2H2O+ 3eˉ MnO2+4OH-процесс восстановления
6 -1 +(-3) = -4
3 NO+H2O– 2eˉ NO+ 2H+- процесс окисления
-1 - (-2) = +1
2MnO+ 4H2O + 3NO+ 3 H2O 2MnO2+ 8 OH- + 3NO+ 6H+.
Приводим подобные, учитывая:
8 ОН+ 6Н+ = 6Н2О + 2ОН.
Краткое ионно-молекулярное уравнение:
2MnO + 3NO + H2O 2MnO2 + 3 NO + 2OH.
В молекулярной форме уравнение имеет вид
2KMnO4 + 3NaNO2 + H2O 2MnO2 + 3NaNO3 + 2KOH.
Баланс по частицам, которые не участвовали в ОВР: Na+ (3 = 3); K+ ( 2 = 2). Баланс по кислороду: 15 = 15.
3. Щелочная среда.
Молекулярная схема реакции:
KMnO4 + NaNO2 + KOH K2MnO4 + NaNO3 + H2O.
Ионно-молекулярная схема реакции:
K++MnO + Na++NO + K++ OH 2K++MnO + Na++NO + H2O.
Краткая ионно-молекулярная схема реакции:
+7 +3 +6 +5
MnO+ NO+OH MnO+ NO+ H2O
oк-ль в-ль продукт в-ния продукт ок-ия
Уравнения полуреакций:
2MnO + 1e- MnO – процесс восстановления
1NO + 2OH - 2e- NO + H2O – процесс окисления
-3 - (-2) = -1
2 MnO + NO +2OH 2MnO + NO + H2O (краткое ионно-молекулярное уравнение).
В молекулярной форме уравнение имеет вид
2KMnO4 + NaNO2 + 2KOH 2K2MnO4 + NaNO3 + H2O
Баланс по частицам, которые не участвовали в ОВР: К+ (4 = 4); Na+ (1 = 1). Баланс по кислороду: 12 = 12.