11. Окислительно–восстановительные реакции

Химические реакции, сопровождающиеся изменением степеней окис-

ления атомов одного или нескольких элементов, входящих в состав реаги-

рующих веществ, называются окислительно–восстановительными (ОВР).

Вещество, содержащее атомы элементов, отдающих электроны (степень

окисления возрастает), называется восстановителем, а процесс – процессом

окисления. Количественно восстановительная способность определяется энер-

гией ионизации – энергией, необходимой для отрыва электрона от атома (или

иона). Чем меньше энергия ионизации, тем ярче выражена восстановительная

способность.

Вещество, содержащее атомы элементов, принимающих электроны (сте-

пень окисления уменьшается), называется окислителем, а процесс – процессом

восстановления. Количественно окислительная способность определяется энер-

гией сродства к электрону – энергией, которая выделяется (реже поглощается)

при присоединении электрона к атому или иону. Чем больше энергия сродства

к электрону, тем ярче выражена окислительная способность.

При составлении уравнений ОВР, происходящих в растворах электроли-

тов, используется метод электронно–ионных схем, который отражает реальное

состояние веществ в растворах и учитывает характер среды. В кислых средах

избыточные ионы кислорода (О2–₎при восстановлении связываются с ионами

водорода (Н⁺), с образованием воды, а необходимые для окисления ионы О2–

пополняются за счет молекул воды с выделением Н⁺. В щелочных средах избы-

точные ионы (О2–₎связываются с молекулами воды с образованием гидроксид–

ионов (ОН–_),а недостающие для окисления ионы О2– пополняются за счет ио-

нов ОН– с выделением молекул воды.

В нейтральных средах в окислительно–восстановительном процессе участ-

вуют только молекулы воды с выделением ионов Н⁺при окислении и ионов

ОН– при восстановлении.

Следует учесть, что при составлении ионных уравнений записываются

только те ионы и молекулы, в которых атомы изменили степень окисления и

определяют характер среды.

Рассмотрим примеры составления уравнений ОВР электронно–ионным ме-

тодом в зависимости от характера среды.

48

Кислая среда

Запишем неполные молекулярные уравнения и определим степень окисле-

ния атомов, установив окислитель и восстановитель.

49

+7

+4

+2

+6

KMnO₄+Na₂SO₃+H₂SO₄→MnSO₄+Na₂SO₄.

Запишем уравнение в краткой ионной форме в соответствии с вышеука-

занным

MnO₄–_+SO32–_+H+→ Mn²⁺+SO₄2–_.

Составим уравнения восстановления и окисления с учетом материального

и электронного баланса:

MnO₄–_+8H++5e = Mn²⁺+4H₂O – восстановление;

SO₃2–_+H2O – 2е = SO₄2–_+2H+ – окисление.

Так как число электронов, отданное восстановителем, равно числу элек-

тронов, принятых окислителем, умножим первое уравнение на 2, а второе на 5

и запишем суммарное ионное уравнение окисления – восстановления:

MnO₄–_+8H++5e = Mn²⁺+4H₂O 2

SO₃2–_+H2O - 2е = SO₄2–_+2H+ ₅

2MnO₄–+5SO₃2–_+6H+ = 2Mn²⁺+5SO₄2–_+3H2^O.

На основании ионного уравнения запишем полное молекулярное уравне-

ние:

2KMnO₄+5Na₂SO₃+3H₂SO₄ = 2MnSO₄+5Na₂SO₄+K₂SO₄+3H₂O.

Нейтральная среда

Аналогично составим уравнения ОВР для нейтральной среды:

KMnO₄+Na₂SO₃+H₂O → MnO₂+Na₂SO₄;

MnO₄–_+SO32–_+H2O → MnO₂+SO₄2–_.

Запишем реакции восстановления – окисления:

MnO₄–_+2H2O+3e = MnO₂+4OH– 2

SO₃2–_+H2O – 2е = SO₄2–_+2H+ 3

Суммарные ионные и молекулярные уравнения имеют вид:

2MnO₄–+3SO₃2–_+H2O = 2MnO₂+3SO₄2–+2OH–_;

2KMnO₄+3Na₂SO_s+H₂O = 2MnO₂+3Na₂SO₄+2KOH.

Щелочная среда

KMnO₄+Na₂SO₃+KOH → K₂MnO₄+Na₂SO₄;

MnO₄–_+SO32–_+OH– → MnO₄2–_+SO42–_.

Запишем реакции восстановления – окисления:

MnO₄–+1e = MnO₄2– 2

SO₃2–+2OH– – 2e = SO₄2–_+H2^O1

Суммарные ионные и молекулярные уравнения имеют вид:

2MnO₄–_+SO32–+2OH– = 2MnO₄2–_+SO42–_+H2^O;

2KMnO₄+Na₂SO₃+2KOH = K₂MnO₄+Na₂SO₄+H₂O.

Таким образом, как видно из приведенных примеров, с увеличением рН

среды окислительная способность KMnO₄уменьшается: в кислой среде (рН < 7)

Mn⁺⁷восстанавливается до Mn⁺²; в нейтральной (рН = 7) Mn⁺⁷восстанавливает-

ся до Mn⁺⁴; в щелочной среде (рН > 7) Mn⁺⁷восстанавливается до Mn⁺⁶.

50