4. Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительными называют реак­ции, идущие с изменением степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Процесс окисления сопровождается отдачей электро­нов, процесс восстановления — присоединением элект­ронов. В окислительно-восстановительных реакциях эти процессы протекают одновременно — одно вещество окисляется, другое восстанавливается. Вещества, присоединяющие электроны, называют окислителями, вещества, отдающие электроны,— восстановителями. Общее число электронов, отданное в процессе реакции восстановителем, должно быть равно числу электронов, присоединенных окислителем. На этом основаны два метода составления уравнений окислительно-восстановительных реакций: метод электронного баланса и ионно-электронный метод (полуреакций). Согласно методу электронного баланса подсчет числа отданных и присоединенных электронов ведется с учетом степени окисления атомов элементов. Ионно-электронный метод применим для реакций, протекающих в водном растворе, и основан на составлении отдельных ионных yравнений для процессов окисления и восстановления с последующим суммированием их в общее уравнение окислительно-восстановительной реакции. При этом учитывают правила написания ионных уравнений, т.е. сильные электролиты записывают в виде ионов, слабые электролиты и неэлектролиты, газы и труднорастворимые вещества — в виде молекул. Сумма электрических зарядов в левой части уравнения должна быть равна сумме электрических зарядов в правой части.

Пример 1(в примерах рассматриваются различные типы окислительно-восстановительных реакций). Расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

H₂S+O₂SO₂+H₂O.

Р е ш е н и е. Определим степень окисления атомов элементов, у которых она в ходе реакции изменяется:

Напишем электронные уравнения, учитывая число атомов в молекулах:

Расставим коэффициенты в уравнении реакции:

2H₂S+3O₂2SO₂+2H₂O

Пример 2. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

Cu+HNO₃(разб.)Cu(NO₃)₂+NO+H₂O.

Р е ш е н и е. В данном случае HNO₃ расходуется и в окислительно-восстановительном процессе (HNO₃ окисляет медь, восстанавливаясь до NO), и в обменной реакции (HNO₃ участвует в процессе солеобразования). Вначале найдем коэффициенты в окислительно-восстановительном процессе. Для этого определим степени окисления атомов элементов, изменяющих ее в ходе реакции:

.

Напишем электронные уравнения:

окисление

восстановление

Расставим коэффициенты в уравнении реакции:

3Cu+2HNO₃3Cu(NO₃)₂+2NO+H₂O.

Учтем, что на образование нитрата меди, согласно приведенной схеме, потребуется 6 молекул азотной кислоты. Суммарный коэффициент перед формулой азотной кислоты равен 8:

3Cu+8HNO₃3Cu(NO₃)₂+2NO+4H₂O.

Пример 3. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

KMnO₄+HClMnCl₂+Cl₂+KCl+H₂O

Р е ш е н и е. Определим степень окисления атомов элементов:

.

Напишем электронные уравнения:

восстановление

окисление

Следует учесть, что, если перед формулой соляной кислоты будет поставлен коэффициент 5, получается дробной число молекул Cl₂. Поэтому коэффициенты, найденные из электронных уравнений, следует удвоить:

Схема уравнения реакции:

2KMnO₄+10HCl2MnCl₂+5Cl₂+2KCl+H₂O.

Учтя дополнительно число молекул соляной кислоты, которое расходуется на образование солей (6 молекул), составим окончательное уравнении реакции:

2KMnO₄+16HCl=2MnCl₂+5Cl₂+2KCl+8H₂O.

Пример 4. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

FeS₂+HNO₃Fe(NO₃)₃+NO+H₂SO₄+H₂O.

Решение. При подборе коэффициентов следует учитывать суммарное число отданных (или, в других реакциях, принятых) электронов атомами различных элементов, входящими в состав одного соединения. В дисульфиде железа, который можно рассматривать как соль кислоты Н—S—S—Н, степень окисления атомов серы —1, железа +2.

Определим степень окисления атомов остальных элементов:

.

Напишем электронные уравнения:

- восстановитель

- окислитель

Схема уравнения реакции:

FeS₂+5HNO₃Fe(NO₃)₃+5NO+2H₂SO₄+H₂O.

С учетом того, что 3 молекулы азотной кислоты расходуются на образование нитрата, составим окончательное уравнение реакции:

FeS₂+8HNO₃=Fe(NO₃)₃+5NO+2H₂SO₄+2H₂O.

Пример 5. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

KClO₃KCl+O₂.

Р е ш е н и е. Учитывая, что процесс внутримолекулярного окисления-восстановления и переход электронов от окислителя к восстановителю происходит между атомами различных элементов одного и того же вещества, коэффициенты подбираются в соответствии с ранее сформулированными правилами, но расчет ведется по схеме слева направо.

Определим степень окисления атомов элементов:

.

Напишем электронные уравнения:

Эти коэффициенты расставим в правой части уравнения перед формулами KCl и O₂, после чего подберем коэффициент в левой части уравнения:

2KClO₃=2KCl+3O₂.

Пример 6. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

Cl₂+KOHKCl+KClO₃+H₂O.

Р е ш е н и е. В данном случае в роли окислителя и восстановителя выступают атомы одного и того же элемента, входящие состав одного вещества. Реакции такого типа называют реакциями диспропорционирования.

Степень окисления изменяют атомы хлора:

.

Подбор коэффициентов ведется по обычным правилам, но справа налево.

Н апишем электронные уравнения:

окисление

восстановление

Расставим коэффициенты, начиная с правой части уравнения:

Cl₂+KOH5KCl+KClO₃+H₂O;

3Cl₂+6KOH=5KCl+KClO₃+3H₂O.

Пример 7. Используя ионно-электронный метод, расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

Zn+HNO₃Zn(NO₃)₂+NH₄NO₃+H₂O.

Р е ш е н и е. Напишем схему ионного уравнения реакции:

Zn+H⁺+NO₃¯Zn²⁺+NH₄⁺ +H₂O

и схемы уравнений полуреакций окисления и восстановления:

окисление ZnZn²⁺

восстановление NO₃¯NH₄⁺

Из двух последних схем следует, что для баланса числа атомов и зарядов в первом случае в левой части уравнения надо вычесть 2 электрона; во втором — в левую часть уравнения включить 10 ионов Н⁺ для связывания из иона NO₃¯ трех атомов кислорода (образуется ЗН₂О) и одного атома азота (образуется NH₄⁺) и в эту же левую часть уравнения включить 8 электронов.

Напишем уравнения полуреакций окисления и восстановления:

окисление Zn – 2 =Zn²⁺

восстановление NO₃¯+10H⁺+8 =NH₄⁺3H₂O.

Учтя, что число отданных и принятых электронов должно быть одинаковым, найдем коэффициенты:

Суммируя, получим:

.

После приведения подобных членов получим:

.

Правильность составления уравнения проверяется по балансу числа атомов и зарядов в левой и правой частях уравнения. Уравнение реакции в молекулярной форме:

4Zn+10HNO₃=4Zn(NO₃)₂+NH₄NO₃+3H₂O.

4-1. Какие из реакций, уравнения которых приведены ниже, являются окислительно-восстановительными:

а) СаО + СО₂ = СаСО₃;

б) Sn + O₂ = SnO₂;

в) 4Р + 5O₂ = 2Р₂O₅;

г) Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + Н₂;

д) HNO₃ + КОН = KNO₃ + Н₂O;

е) CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O?

4-2. Возможно ли, чтобы одно и то же вещество в одних реакциях выступало в роли окислителя, в других — восстановителя? Если это так, приведите примеры.

4-3. Какие свойства — восстановителя или окислителя – проявляет водород в следующих реакциях:

а) Н₂ + С1₂ = 2НС1; в) 2Н₂ + O₂ = 2Н₂O;

б) Н₂ + Са = СаН₂; г) Н₂ + 2Li = 2LiH?

4-4. Какой процесс — окисления или восстановления — происходит, когда: а) нейтральные атомы превращаются в положительно заряженные ионы; б) нейтральные атомы превращаются в отрицательно заряженные ионы; в) положительный заряд иона увеличивается; г) положительный заряд иона уменьшается; д) отрицательный заряд иона уменьшается?

4-5. Вместо пропусков вставьте нужные слова а) атомы элемента окислителя ... электроны, сами при этом ...; б) атомы элемента восстановителя ... электроны, сами при этом ... .

4-6. Какие из приведенных ниже электронных уравнений характеризуют процессы окисления, какие — восстановления:

а) Cu²⁺+2 =Cu; г) S + 2 = S²¯;

б) Fe²⁺ =Fe³⁺; д) ;

в) Fe – 2 =Fe²⁺; е) S+4 =S?

4-7. Закончите электронные уравнения:

а) в) 2Cl^-1Cl₂; д)

б) г) е) .

4-8. Напишите уравнения реакций взаимодействия с кислородом: а) алюминия; б) молибдена; в) кремния. Составьте электронные уравнения процессов окисления и восстановления. Укажите окислители и вос­становители.

4-9. Напишите уравнения реакций взаимодействия с водородом оксидов: а) кобальта (II); б) железа (II); в) меди (I). Составьте электронные уравнения про­цессов окисления и восстановления. Укажите окисли­тели и восстановители.

*4-10. Какие из веществ — кислород, хлор, водо­род, алюминий — могут быть использованы для: а) превращения цинка по схеме Zn Zn²⁺; б) пре­вращения меди и железа по схемам СuОСu, Fe₂O₃Fe?

*4-11. С учетом степени окисления атомов эле­ментов в приведенных ниже соединениях и степеней окисления, характерных для этих элементов вообще (от —3 до +5 для N, от 0 до +6 для Сr, от —2 до +6 для S, от 0 до +7 для Мn, от — 1 до +7 для Вr и I) сделайте вывод о возможности или невозмож­ности окислительно-восстановительных реакций между веществами: а) НNО₃ и К₂Сr₂O₇; б) КМnO₄ и SO₂; в) H₂SO₃ и Br₂; г) HNO₃ и H₂S; д) КМnO₄ и HI; е) H₂SO₄ и H₂S.

4-12. Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в следующих уравнениях реакций:

а) H₂S + O₂S + H₂O;

б) NH₃ + O₂ N₂ + H₂O;

в) S + HNO₃H₂SO₄ + NO;

г) H₂S + C1₂S + HC1;

д) Fe (NO₃)₂ + ZnZn (NO₃)₂ + Fe;

е) С + H₂SO₄ (конц.)СO₂+ SO₂ + H₂O;

ж) HI + H₂SO₄ (конц.) I₂+ H₂S + H₂O;

з) Fe₂O₃ + C Fe + CO₂;

и) HCl + КСlO₃C1₂+KCl + H₂O;

к) H₂SO₃ + H₂SS + H₂O.

4-13. Расставьте коэффициенты в следующих уравнениях реакций:

а) Na₂SO₃+KMnO₄+H₂SO₄Na₂SO₄+K₂SO₄+MnSO₄+H₂O;

б) KNO₂+KMnO₄+H₂SO₄KNO₃+K₂SO₄+MnSO₄+H₂O;

в) Na₂S+KMnO₄+H₂SO₄S+Na₂SO₄+K₂SO₄+MnSO₄+H₂O;

г) NaBr+K₂Cr₂O₇+H₂SO₄Br₂+Na₂SO₄+K₂SO₄+Cr₂(SO₄)₃+H₂O;

д) H₂S+ K₂Cr₂O₇+H₂SO₄ S+K₂SO₄+ Cr₂(SO₄)₃+H₂O;

е) MnO₂+KNO₃+KOHK₂MnO₄+KNO₂+H₂O;

ж) Cr₂O₃+KClO₃+KOHK₂CrO₄+KCl+H₂O;

з) Cr₂(SO₄)₃+Cl₂+NaOHNa₂CrO₄+NaCl+Na₂SO₄+H₂O;

и) Fe(OH)₂+O₂+H₂OFe(OH)₃.

4-14. Используя ионно-электронный метод, расставьте коэффициенты в следующих уравнениях реакций:

а) Ni+HNO₃Ni(NO₃)₂+NO+H₂O;

б) K₂Cr₂O₇+K₂SO₃+H₂SO₄K₂SO₄+Cr₂(SO₄)₃+H₂O;

в) CrCl₃+Cl₂+NaOHNa₂CrO₄+NaCl+H₂O;

г) NaI+KMnO₄+H₂SO₄I₂+Na₂SO₄+MnSO₄+H₂O+K₂SO₄;

д) NaBr+NaBrO₃+H₂SO₄Br₂+Na₂SO₄+H₂O.

4-15. Напишите в ионной форме следующие уравнения окислительно-восстановительных реакций и расставьте коэффициенты:

а) Al+H₂SO₄(разб.)Al₂(SO₄)₃+H₂;

б) Na₂S+Cl₂+H₂ONa₂SO₄+HCl;

в) S+Br₂+NaOHNa₂SO₄+NaBr+H₂O;

г) KClO+K₂SKCl+K₂SO₄.