Цель работы - ознакомление с окислительно-восстановительными свойствами металлов, неметаллов и их соединений, освоение методики составления уравнений окислительно-восстановительных процессов.
Реакции, протекания которых связано со смещением или полным переходом электронов от одних атомов к другим, называют окислительно-восстановительными.
Число электронов, смещенных от атома (иона) данного элемента или к атому (иону) данного элемента в соединении, называют степенью окисления. Степень окисления может быть положительной (электроны смещены от атома или иона) и отрицательной (электроны сменены к атому или иону).
Процесс отдачи электронов, т.е. повышения степени окисления элемента, называют окислением, а вещества, отдающие электроны - восстановителями. К типичным восстановителям относятся простые вещества, атомы которых характеризуются невысокой электроотрицательностью (металлы, водород, углерод), некоторые анионы (, , и др.); катионы, у которых степень окисления может возрастать (, и др.).
Процесс присоединения электронов, т.е. понижения степени окисления, называют восстановлением, а вещества, принимающее электроны, называют окислителями. К типичным окислителям относятся простые вещества, атомы которых характеризуются высокой электроотрицательностью (элементы VI и VII групп главных подгрупп), катионы с высокой степенью окисления (, , ), анионы, в которых электроположительный элемент имеет высокую степень окисления (, , ), высшие оксиды, а также пероксиды.
Окислительно-восстановительные реакции - это одновременно протекающие процессы окисления и восстановления. Реакции, в которых окислители и восстановители представляют собой разные вещества, называют межмолекулярными. Если окислителями и восстановителями служат атомы или ионы одной и той же молекулы, то такие реакции называют внутримолекулярными.
Составление окислительно-восстановительных реакций требует строгого соблюдения правил, изложенных в данном разделе, что поможет написать любую окислительно-восстановительную реакцию. Для этого существуют два метода электронного баланса и ионно-электронной полуреакции. Первый может пригодиться только тогда, когда известны все продукты реакции и исходные вещества, при этом основное правило - установить степени окисления элементов, которые в результате реакции изменили свою степень окисления, а затем для этих элементов записать уравнение электронного баланса, расставить коэффициенты в уравнении реакции и по кислороду проверить правильность написания уравнения.
Пример:
1) Установим степени окисления у всех элементов:
видно, что степень окисления изменили два элемента - железо и марганец. Составим для них уравнение электронного баланса:
расставим коэффициенты около окислителя и восстановителя:
а теперь методом "пинг-понга" устанавливаются последовательно коэффициенты в левой и правой части у всех остальных элементов так, чтобы последним уравнивался водород.
Справа и слева имеется по 80 атомов кислорода, следовательно, коэффициенты в уравнении расставлены правильно.
Метод полуреакций, или ионно-электронный, применяется только в том случае, когда неизвестны все вещества, входящие в уравнение. Этот метод решения окислительно-восстановительных реакций намного мощнее метода электронного баланса, он позволяет написать продукты и расставить коэффициенты в реакции, если известны только исходные вещества и среда, в которой происходит реакция.
Последовательность действий при написании окислительно-восстановительных реакций ионно-электронным методом следующая:
1) необходимо установить, какое вещество восстановитель, а какое окислитель;
2) в соответствии с ниже приведенными схемами записываются полуреакции (в ионном виде) с окислителями и восстановителями. Заряд в этих реакциях уравнивается прибавлением или отниманием электронов в левой части уравнения, необходимо при этом учесть, что:
a) окислитель превращается в ион с низшей степенью окисления;
b) восстановитель превращается в соединение с высшей степенью окисления;
3) находится число, равное наименьшему общему кратному между числом электронов в полуреакциях окисления и восстановления;
4) полуреакции складываются;
5) записывается уравнение из противоионов для левой части и такое же уравнение для правой части;
6) записывается суммарное молекулярное уравнение реакции.
Схемы для ионно-электронного метода (полуреакций)
1) Если в исходных веществах больше кислорода, то в продуктах реакций на каждый атом кислорода имеем:
в кислой среде молекулу воды
в щелочной' и нейтральной среде – гидроксогруппу
2) Если в исходных веществах меньше кислорода, то в продуктах на каждый атом кислорода имеем:
в кислых и нейтральных средах
в щелочной среде
3) Превращение, аниона перманганата в окислительно-восстановительных процессах:
4) Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами:
5) Превращения бихромат - иона в окислительно-восстановительных процессах:
Из неметалла образуется кислота с высшей степенью окисления неметалла.
Разберем принцип написания окислительно-восстановительных реакций ионно-электронным методом на следующем примере:
Окислителем может быть только бихромат калия, т.к. в этом соединении он имеет высшую степень окисления +6. добавлена для создания кислой среды, следовательно, восстановителем является ион тиоцианата, в котором каждый элемент является восстановителем.
Запишем реакцию окисления восстановителя в ионном виде:
(углерод превращается в , как этого требует правило превращения восстановителя в анион высшей степени окисления элемента). В кислой среде недостаток кислорода в исходном веществе требует добавления к левой части уравнения воды:
уравновесим заряд (добавили, т.к. необходимо в левую часть прибавить 7 атомов кислорода)
Запишем процесс восстановления окислителя, воспользовавшись вышеприведенной схемой:
В исходном веществе больше кислорода, среда кислая, следовательно, к свой части необходимо добавить - протоны:
уравновесим заряд
и в результате получим
после сложения получим ионное уравнение:
после удаления молекул воды и протонов водорода получим:
Напишем уравнение из противоионов:
Суммарное уравнение в молекулярном виде
Обратите внимание, что один из продуктов реакции () может реагировать с серной кислотой, которую обычно добавляют в избытке:
но, так как в реакции получилось 6-молекул карбоната калия, то последнее уравнение необходимо умножить на 6 и эти два уравнения сложить в результате получим:
Приведем одинаковые вещества под один коэффициент:
Экспериментальная часть.