Окислительно-восстановительные реакции в химии — формулы и определения с примерами

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами Кислород

Лекция для профильного 11-го класса "окислительно-восстановительные реакции"

Цель лекции– ознакомление с основными закономерностями
процессов окисления и восстановления, освоение методик составления уравнений
окислительно-восстановительных реакций, изучение окислительно-восстановительных
свойств соединений.

Ход лекции

Слайд1. Протекание химических реакций в целом обусловлено обменом
частицами между реагирующими веществами. Слайд 2. Часто обмен
сопровождается переходом электронов от одной частицы к другой. Так, при
вытеснении цинком меди в растворе сульфата меди (II)

Zn (т) CuSO4 (р) = ZnSO4 (p) Cu (т)

электроны от атомов цинка переходят к ионам меди:

Zn (т) = Zn2 (p) 2e,
Cu2 (р) 2e = Cu (т) ,
или суммарно: Zn (т) Cu2 (р) = Zn2
(p)
Cu (т).

Процесс потери электронов частицей называют окислениемСлайд 3,
а процесс приобретения электронов – восстановлениемслайд 4.
Окисление и восстановление протекают одновременно, поэтому взаимодействия,
сопровождающиеся переходом электронов от одних частиц к другим, называют
окислительно-восстановительными реакциями.

Для удобства описания окислительно-восстановительных реакций используют
понятие степени окисления – величины, численно равной формальному заряду,
который можно приписать элементу, исходя из предположения, что все электроны
каждой из его связи перешли к более электроотрицательному атому данного
соединения. Протекание окислительно-восстановительныхреакций
сопровождается изменением степеней окисления элементов участвующих в реакции
веществ. При восстановлении степень окисления элемента уменьшается, при
окислении – увеличивается. Вещество, в состав которого входит элемент,
понижающий степень окисления, называют окислителем, вещество, в состав
которого входит элемент, повышающий степень окисления, называют
восстановителем
слайд 5–6.

Степень окисления элемента в соединении определяют в соответствии со
следующими правилами: Слайд 7. 1) степень окисления элемента в простом
веществе равна нулю; 2) алгебраическая сумма всех степеней окисления атомов в
молекуле равна нулю; 3) алгебраическая сумма всех степеней окисления атомов в
сложном ионе, а также степень окисления элемента в простом одноатомном ионе
равна заряду иона; 4) отрицательную степень окисления проявляют в соединении
атомы элемента, имеющего наибольшую электроотрицательность; 5) максимально
возможная (положительная) степень окисления элемента соответствует номеру
группы, в которой расположен элемент в Периодической таблице Д.И. Менделеева.

Ряд элементов в соединениях проявляют постоянную степень окисления, что
используют при определении степеней окисления других элементов: 1) фтор, имеющий
наивысшую среди элементов электроотрицательность, во всех соединениях имеет
степень окисления –1; 2) водород в соединениях проявляет степень окисления 1,
кроме гидридов металлов (–1); 3) металлы IA подгруппы во всех соединениях имеют
степень окисления 1; 4) металлы IIA подгруппы, а также цинк и кадмий во всех
соединениях имеют степень окисления 2; 5) степень окисления алюминия в
соединениях 3; 6) степень окисления кислорода в соединениях равна –2, за
исключением соединений, в которых кислород присутствует в виде молекулярных
ионов: О2 , О2, О22, О3, а также фторидов OxF2.

Степени окисления атомов элементов в соединении записывают над символом
данного элемента, указывая вначале знак степени окисления, а затем ее численное
значение, например, Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами,
в отличие от заряда иона, который записывают справа, вначале указывая зарядовое
число, а затем знак: Fe2 , SO42–.

Окислительно-восстановительные свойства атомов различных элементов
проявляются в зависимости от многих факторов, важнейшие из которых – электронное
строение элемента, его степень окисления в веществе, характер свойств других
участников реакции. Соединения, в состав которых входят атомы элементов в своей
максимальной (положительной) степени окисления, например,Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами
могут только восстанавливаться, выступая в качестве окислителей. Соединения,
содержащие элементы в их минимальной степени окисления, например,
Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами могут
только окисляться и выступать в качестве восстановителей. Вещества, содержащие
элементы в промежуточных степенях окисления, например
Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами
обладают окислительно-восстановительной двойственностью. В зависимости от
партнера по реакции такие вещества способны и принимать, и отдавать электроны.
Состав продуктов восстановления и окисления также зависит от многих факторов, в
том числе среды, в которой протекает химическая реакция, концентрации реагентов,
активности партнера по окислительно-восстановительному процессу. Чтобы составить
уравнение окислительно-восстановительной реакции, необходимо знать, как
изменяются степени окисления элементов и в какие другие соединения переходят
окислитель и восстановитель.

Важнейшие окислители.Слайд 8. Галогены, восстанавливаясь,
приобретают степень окисления –1, причем от фтора к йоду их окислительные
свойства ослабевают (F2 имеет ограниченное применение вследствие
высокой агрессивности):

2H2O 2F2 = O2 4HF

Кислород

O

2

, восстанавливаясь, приобретает степень окисления
–2:

4Fe(OH)2 O2 2H2O = 4 Fe(OH)3

Азотная кислота

HNO

3

проявляет окислительные свойства за счет
азота в степени окисления 5:

3Сu 8HNO3 (разб) = 3Cu(NO3)2 2NOОкислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами
4H2O

При этом возможно образование различных продуктов восстановления:

NO3 2H e = NO2 H2O
NO3 4H 3e = NO 2H2O
NO3 5H 4e = 0,5N2O
2,5H2O
NO3 6H 5e = 0,5N2 3H2O
NO3 10H 8e = NH4
3H2O

Глубина восстановления азота зависит от концентрации кислоты, а также от
активности восстановителя:

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

Соли азотной кислоты (нитраты) могут восстанавливаться в кислотной, а
при взаимодействии с активными металлами и в щелочной средах, а также в
расплавах:

Zn KNO3 2KOHОкислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерамиK2ZnO2
KNO2 H2O

Царская водка

– смесь концентрированных азотной и соляной кислот,
смешанных в соотношении 1:3 по объему. Название этой смеси связано с тем, что
она растворяет даже такие благородные металлы как золото и платина:

Au HNO3(конц) 4HCl(конц) = H[AuCl4] NOОкислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами
2H2O

Серная кислота

H

2

SO

4

проявляет окислительные
свойства в концентрированном растворе за счет серы в степени окисления 6:

C(графит) 2H2SO4 (конц)Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами
СO2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами 2SO2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами 2H2O.

Состав продуктов восстановления определяется главным образом активностью
восстановителя и концентрацией кислоты:

SO42– 4H 2e = SO2
2H2O
SO42– 8H 4e = S 4H2O
SO42– 10H 8e = H2S 4H2O

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

Кислородсодержащие кислоты галогенов

и их соли часто используются как
окислители, хотя многие из них проявляют двойственный характер. Как правило,
продуктами восстановления этих соединений являются хлориды и бромиды, а также
йод:

MnS 4HСlO = MnSO4 4HCl;

5Na2SO3 2HIO3 = 5Na2SO4
I2 H2O

Перманганат калия

KMnO

4

проявляет окислительные свойства за
счет марганца в степени окисления 7. В зависимости от среды, в которой
протекает реакция, он восстанавливается до разных продуктов: в кислотной среде –
до солей марганца (II), в нейтральной – до оксида марганца (IV) в гидратной
форме MnO(OH)

2

, в щелочной – до манганат-иона MnO

42–

:

кислотная среда: 5Na2SO3 2KMnO4 3H2SO4(разб)=
5 Na2SO4 2MnSO4 3H2O K2SO4

нейтральная среда: 3Na2SO3 2KMnO4 3H2O
= 3Na2SO4 2MnO(OH)2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами 2KOH

щелочная среда: Na2SO3 2KMnO4 2KOH = Na2SO4
2K2MnO4 H2O

Дихромат калия

K

2

Cr

2

O

7

, в состав
молекулы которого входит хром в степени окисления 6, является сильным
окислителем при спекании и в кислотном растворе:

6KI K2Cr2O7 7H2SO4 (разб)
= 3I2 Cr2(SO4)3 7H2O
4K2SO4

проявляет окислительные свойства и в нейтральной среде:

3H2S K2Cr2O7 H2O =
3SОкислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами 2Cr(OH)3Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами 2KOH.

Среди ионов окислительные свойства проявляют ион водорода Н и
ионы металлов в высшей степени окисления. Ион водорода Н
выступает как окислитель при взаимодействии активных металлов с разбавленными
растворами кислот (за исключением HNO3):

Mg H2SO4 (разб) = MgSO4 H2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

Ионы металлов

в относительно высокой степени окисления, такие, как Fe

3

,
Cu

2

, Hg

2

, восстанавливаясь, превращаются в ионы более
низкой степени окисления:

H2S 2FeCl3 = SОкислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами 2FeCl2
2HCl

или выделяются из растворов их солей в виде металлов:

2Al 3CuCl2 = 2AlCl3 3Cu.

Важнейшие восстановители. Слайд 9. К типичным восстановителям
среди простых веществ относятся активные металлы, такие как щелочные и
щелочно-земельные металлы, цинк, алюминий, железо и др., а также некоторые
неметаллы (водород, углерод, фосфор, кремний): Zn 2HCl = ZnCl2 H2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

C 4HNO3(конц, гор) = CO2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами 4NO2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами 2H2O

Восстановительными функциями обладают бескислородные анионы, такие как Cl
, Br , I
, S2, H
, и катионы металлов в низшей степени окисления:

2HBr(конц) Н2O2(конц) = Br2
2H2O;

2CaH2 TiO2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами2CaO Ti 2H2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами2CaO Ti 2H2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами.

2FeSO4 H2O2(конц) H2SO4(разб)Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерамиFe2(SO4)3
2H2O.

Окислительно-восстановительная двойственность.Слайд10. Среди
простых веществ окислительно-восстановительная двойственность характерна для
элементов VIIA, VIA и VA подгрупп, которые могут как повышать, так и понижать
свою степень окисления.

Часто используемые как окислители, галогены под действием более
сильных окислителей проявляют восстановительные свойства (за исключением фтора).
Их окислительные способности уменьшаются, а восстановительные способности
увеличиваются от Cl2 к I2. Эту особенность иллюстрирует
реакция окисления йода хлором в водном растворе: I2 5Cl2
6H2O = 2HIO3 10HCl.

Кислородсодержащие кислоты галогенов

и их

соли

, в состав молекул
которых входит галоген в промежуточной степени окисления, могут выступать не
только в роли окислителей: S NaClO

2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

NaCl SO

2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

но и восстановителей:

5NaClO2 2KMnO4 3H2SO4 (разб )
= 5NaClO3 2MnSO4 3H2O K2SO4

Пероксид водорода

, содержащий кислород в степени окисления –1, в
присутствии типичных восстановителей проявляет окислительные свойства, т.к.
кислород может понижать свою степень окисления до –2:

2KI H2O2 = I2 2KOH

а при взаимодействии с сильными окислителями проявляет свойства
восстановителя (степень окисления кислорода возрастает до 0):

H2O2 2Hg(NO3)2 = O2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами Hg2(NO3)2 2HNO3.

Азотистая кислота

и

нитриты

, в состав которых входит азот в
степени окисления 3, также могут выступать как в роли окислителей:

2HI 2HNO2 = I2 2NOОкислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами 2H2O,

так и в роли восстановителей: 2NaNO2(разб, гор) O2 =
2NaNO3.

Классификация.

Различают четыре типа окислительно-восстановительных
реакций.

1. Слайд11. Если окислитель и восстановитель – разные вещества, то
такие реакции относят к межмолекулярным. Примерами таких процессов служат
все рассмотренные ранее реакции.

2. При термическом разложении сложных соединений, в состав которых входят
окислитель и восстановитель в виде атомов разных элементов, происходят
окислительно-восстановительные реакции, называемые внутримолекулярными:

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

3. Слайд12. Реакции диспропорционирования могут происходить,
если соединения, содержащие элементы в промежуточных степенях окисления,
попадают в условия, где они оказываются неустойчивыми (например, при повышенной
температуре). Степень окисления этого элемента и повышается и понижается:

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

4. Слайд13. Реакции сопропорционирования – это процессы
взаимодействия окислителя и восстановителя, в состав которых входит один и тот
же элемент в разных степенях окисления. В результате продуктом окисления и
продуктом восстановления является вещество с промежуточной степенью окисления
атомов данного элемента:

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

5. Слайд14. Реакции внутримолекулярного окисления и восстановления.

В этих реакциях окислитель и восстановитель — разные химические элементы, но
входящие в состав одного вещества

Составление уравнений.

Слайд15.

Для составления уравнений
окислительно-восстановительных реакций наиболее часто используют метод
электронно-ионных полуреакций и метод электронного баланса.

Метод
электронно-ионных полуреакций

применяют при составлении уравнений реакций,
протекающих в водном растворе, а также реакций с участием веществ, в которых
трудно определить степени окисления элементов (например, KNСS, CH

3

CH

2

OH).
Согласно этому методу выделяют следующие главные этапы составления уравнения
реакций:

1. Записывают общую молекулярную схему процесса с указанием восстановителя,
окислителя и среды, в которой протекает реакция (кислотная, нейтральная или
щелочная). Например:

SO2 K2Cr2O7 H2SO4(разб)®

2. Учитывая диссоциацию электролитов в водном растворе, данную схему
представляют в виде молекулярно-ионного взаимодействия. Ионы, степени окисления
атомов которых не изменяются, в схеме не указывают, за исключением ионов Н
и ОН :

SO2 Cr2O72– H ®

3. Определяют степени окисления восстановителя и окислителя, а также
продуктов их взаимодействия:

4. Записывают материальный баланс полуреакции окисления и восстановления:

5. Суммируют полуреакции, учитывая принцип равенства отданных и принятых
электронов:

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

и, сокращая одноименные частицы, получают общее ионно-молекулярное уравнение:

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

6. Добавляют ионы, не участвовавшие в процессе окисления-восстановления,
уравнивают их количества слева и справа, и записывают молекулярное уравнение
реакции:

3SO2 K2Cr2O7 H2SO4
(разб)
= Cr2(SO4)3 K2SO4
H2O.

При составлении материального баланса полуреакций окисления и восстановления,
когда изменяется число атомов кислорода, входящих в состав частиц окислителя и
восстановителя, следует учитывать, что в водных растворах связывание или
присоединение кислорода происходит с участием молекул воды и ионов среды.
Слайд 16.

В процессе окисления на один атом кислорода, присоединяющийся к частице
восстановителя, в кислотной и нейтральной средах расходуется одна молекула воды
и образуются два иона Н ; в щелочной среде расходуются два
гидроксид-иона ОН и образуется одна молекула воды

Присоединение атомов кислорода к восстановителю в процессе окисления.
Слайд 17.

В процессе восстановления для связывания одного атома кислорода частицы
окислителя в кислотной среде расходуются два иона Н и образуется
одна молекула воды; в нейтральной и щелочной средах расходуется одна молекула Н2О
и образуются два иона ОН .

Связывание атомов кислорода окислителя в процессе восстановления. Слайд
18.

При составлении уравнений следует учитывать, что окислитель (или
восстановитель) могут расходоваться не только в основной
окислительно-восстановительной реакции, но и при связывании образующихся
продуктов реакции, т.е. выступать в роли среды и солеобразователя. Слайд19–22.
Примером, когда роль среды играет окислитель, служит реакция окисления металла в
азотной кислоте, составленная методом электронно-ионных полуреакций:

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

Примером, когда восстановитель является средой, в которой протекает реакция,
служит реакция окисления соляной кислоты дихроматом калия, составленная методом
электронного баланса:

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

Метод полуреакций имеет ряд преимуществ перед методом электронного баланса.
Слайд 23.

Окислительно-восстановительные реакции необходимо уметь решать в части С1
ЕГЭ. Рассмотрим некоторые из них. Слайд25–27.

Окислительно-восстановительные реакции имеют место и в органической химии.

Необходимо помнить, что степень окисления углерода не является постоянной в
органических веществ. Слайд 29–30.

Приведем несколько примеров ОВР в органической химии.

Окисление алкенов.

Слайд 31.

1) Окисление алкена в нейтральной среде при обычных условиях приводит к
разрыву только π –связи, при этом образуется
многоатомный спирт – качественная реакция на кратную связь.

3CH2=CH2 2KMnO4 4H2O → 3HO-CH2-CH2-OH
2MnO2 2KOH

C2H4 2H2O –
2ē → C
2H6O2 2H | х 3

MnO4 2H2O
3ē → MnO
2 4OH| х 2

2) Окисление алкенов в кислой среде при нагревании приводит к образованию
карбоновых кислот и кетонов, при этом двойная связь разрушается (рвутся
σ – и π –связь).

5R1-CH=CH-R2 8KMnO4 12H2SO4
→ 5R1-COOH 5R2-COOH 8MnSO4 4K2SO4
12H2O

Окисление алкинов.

Слайд 32.

3CH≡CH 8KMnO4 H2O→ 3KOOC-COOK оксалат калия 8MnO2Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами
2KOH 2H2O

Окисление аренов (гомология бензола).

Слайд 33.

5C6H5CH(CH3)2 18KMnO4
27H2SO4 → 5C6H5COOH 42H2O
18MnSO4 10CO2 9K2SO4

C6H5CH(CH3)2 6H2O –
18ē → C6H5COOH 2CO2
18H | x 5

MnO4 8H
5ē → Mn
2 4H2O | x 18

Уметь решать такие уравнения необходимо в части С3. Слайд34–35.

Слайд 36. Закончить составление уравнений
окислительно-восстановительных реакций методом электронно-ионных полуреакций:

Окислительно-восстановительные реакции в химии - формулы и определения с примерами

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий