Лабораторная работа № 7 окислительно – восстановительные процессы.

Работу выполнил ___________________ Работу принял_______________________-

Дата выполнения____________________ Отметка о зачете_____________________

1. Основные понятия.

Окислительно-восстановительный процесс представляет собой совокупность процессов окисле­ния и восстановления, протекающих одновременно. Окисление - это процесс отдачи электронов, восстановление - процесс их присоединения. Степень окисления атомов, отдающих электроны, по­вышается, а при присоединении электронов степень окисления атомов, наоборот, понижается. Таким образом, отличительным признаком окислительно-восстановительных процессов является изме­нение степени окисления атомов окисляющегося и восстанавливающегося элемента.

Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы), отдающие электроны, называются восстанови­телями, а частицы, присоединяющие электроны - окислителями. Окислитель, присоединяя элек­троны, превращается в соответствующий восстановитель и наоборот, в результате отдачи электронов восстановителем образуется соответствующий окислитель, т.е. соответствующие окислитель и вос­становитель образуют единую окислительно-восстановительную пару - редоксипару OK/ВС, где ОК - окислитель, ВС - соответствующий восстановитель. Взаимные превращения окислителя ОК в со­ответствующий восстановитель ВС, а также восстановителя ВС в соответствующий окислитель ОК можно выразить схемой: ОК+ne ↔BC, где n - количество электронов е. Например, для окислительно-восстановительной пары Zn²⁺\Zn взаимные превращения окислителя и восстановителя выражаются уравнением: Zn²⁺+2e <=> Zn; для пары (MnO₄^- +8Н⁺)/(Мп²⁺+4Н₂О) уравнение взаимного превращения име­ет вид: Мп0₄^- + 8Н ⁺+5 е<=> Мп²⁺+4Н₂0.

Сущность окислительно-восстановительного процесса заключается в передаче электронов восстановителем окислителю. Поэтому первым необходимым условием осуществимости окисли­тельно-восстановительного процесса является одновременное наличие окислителя и восстанови­теля.

Пример 1.1. С какими из веществ - Zn, KNO₃, KNO₂ - может реагировать окислитель К₂Сг₂O₇?

Окислитель К2СГ2О7 может вступать в окислительно-восстановительное взаимодействие только с веществами, обладающими восстановительными свойствами. В данном случае К₂Сr₂0₇ мо­жет взаимодействовать с Zn, т.к. Zn, как и все металлы, является восстановителем. С KNO₃ окисли­тельно-восстановительное взаимодействие невозможно, т.к. KNO³ не может быть восстановите­лем, поскольку азот в этом соединении находится в максимально окисленном состоянии - степень окисления ¹⁾ азота имеет максимальное значение степени окисления, равное +5. В KNO₂ степень окис­ления азота имеет одно из промежуточных значений, равное +4. Поэтому данное соединение может быть и окислителем, и восстановителем и потому его взаимодействие с К₂Сr₂О₇ возможно.

________________________________________________

¹⁾ Степень окисления - избыточный электрический заряд атома в химическом соединении, вычисленный в предположении, что все электроны, участвующие в образовании химической связи, полностью смещены к более электроотрицательному ато­му. Для определения степени окисления атомов используют следующие правила:

1) степень окисления атомов в простых веществах (напр.: Na, С1_2, 0₃) равна нулю;

2) степень окисления одноатомного иона (напр.: Na⁺, Сl ^-, Zn²⁺, А1³⁺) равна его заряду;

3) степень окисления металлов всегда положительна;

4) характерные степени окисления в соединениях проявляют следующие элементы:

щелочные металлы (+1),

щелочноземельные металлы (+2),

бор, алюминий (+3), кроме боридов металлов

фтор (-1), самый электроотрицательный элемент

водород (+1), кроме гидридов металлов

кислород (-2), кроме пероксидов, надпероксидов, озонидов, и соединений с фтором;

5. сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю (условие электронейтральности).

Окислительно-восстановительный процесс можно осуществить двумя способами: в форме окис­лительно-восстановительной реакции при непосредственном контакте окислителя с восстановителем и в форме электрохимического процесса с пространственно разделёнными процессами окисления и вос­становления, протекающими на электродах.

Электрод представляет собой систему, включающую проводник электронов и окислитель­но-восстановительную пару. Так как проводником электронов, в принципе, может быть любой токопроводящий материал, обладающий электронной проводимостью, для обозначения электрода достаточ­но указать окислительно-восстановительную пару OK/ВС, например, (МпО₄^- +8Н⁺)/(Мп²⁺+4Н₂0), Zn²⁺/Zn. В любом электроде могут протекать 2 процесса: восстановление окислителя ОК+nе = ВС и окисление восстановителя ВС+ОК+ne.

Электрод называется анодом, если в нём протекает процесс окисления, и катодом, если в нём реализуется восстановительный процесс. Характер электродного процесса зависит от относительной активности окислителя и восстановителя редоксипары, которая ко­личественно характеризуется величиной стандартного электродного потенциала Е°: чем больше значе­ние Е°, тем выше активность окислителя и тем ниже активность соответствующего восстанови­теля. л

Пример 1.2. Активность окислителей и восстановителей окислительно-восстановительных пар Zn²⁺/Zn и (МnО₄^--+8Н⁺)/(Мn²⁺+4H₂О).

Из таблицы стандартных электродных потенциалов (см. приложение) выписываем их значения для рассматриваемых пар: E°(Zn²⁺/Zn) = -0,76В; Е˚((Мп0₄^-+8H⁺)/(Мп²⁺+4Н₂0)) = 1.51B. Сопоставляя значения Е°, приходим к выводу, что в рассматриваемых окислительно-восстановительных парах наиболее сильным окислителем является (.МпО₄^-+8Н⁺) наиболее активным восстановителем - Zn.

В окислительно-восстановительном процессе восстановитель, отдавая электроны, превращается в соответствующий окислитель, а окислитель вследствие присоединения электронов образует соответ­ствующий восстановитель. Естественно, что образующиеся новый окислитель и новый восстановитель способны вступать друг с другом в окислительно-восстановительное взаимодействие. Поэтому любой окислительно-восстановительный процесс обратим и может быть выражен следующей схемой: BC₁+OK₁₁<=>ОK+BC₁₁, где индексы "I" и "II" относятся к первой и второй окислительно-восстановительным парам.

Как и в любом обратимом процессе, возможность самопроизвольного взаимодействия в окислительно-восстановительном процессе определяется условием ΔG<0. Для окислительно-восстановительных процессов имеет место соотношение:

ΔG=- nFE (1.1)

где п - число электронов, Р«96500Кл - число Фарадея, Е - разность электродных потенциалов окисли­теля Еок и восстановителя Евс (Е = Е_ОК- Евс). Из формулы (1.1) вытекает, что условием самопроиз­вольного протекания окислительно-восстановительного процесса является:

Е>0 или Еок>Евс (1.2)

Пример 1.3. Определение возможности самопроизвольного протекания окислительно-восстановительного процесса Zn.+Sn²⁺-Zn²⁺+Sn.

В рассматриваемом процессе Zn - восстановитель, ионы Sn²⁺ - окислитель.

Из таблицы стандартных электродных потенциалов выписываем их значения для окислитель­но-восстановительных пар, включающих данные окислитель и восстановитель: E°(Zn²⁺/Zn) = - 0,76В, E°(Sn²⁺/Sn) = - 0,14В. Находим стандартную разность потенциалов: Е°=Е°ок - Е°вс - E°(Sn²⁺/Sn)- E°(Zn²⁺/Zn) = -0,14 -(-0,76) = 0,62В>0, что удовлетворяет условию (1.2). Следовательно, рассматри­ваемый окислительно-восстановительный процесс в стандартных условиях может протекать само­произвольно.