Строение вещества. ОВР. Окислительно-восстановительные реакции

Требования к знаниям и умениям
знать правила определения степеней окисления в различных соединениях
знать понятия ОВР, окислитель и окисление, восстановитель и восстановление, правила расстановки коэффициентов в ОВР методом электронного баланса
уметь определять степень окисления в соединениях, составлять формулы веществ с определенной степенью окисления и называть их
уметь определить является ли реакция ОВР, определять какой из элементов является окислителем, а какой восстановителем, когда и за счет чего протекает окислительный или восстановительный процесс, сколько электронов теряет или при приобретает элемент при изменении степени окисления элемента, расставлять коэффициенты в ОВР методом электронного баланса

Одной из важнейших характеристик химического элемента, входящего в состав вещества является его степень окисления.
Степень окисления - это условный заряд, который мог бы появиться на атоме, если бы все электроны образующие его химические связи сместились к более электроотрицательному атому.
Степень окисления элементов в простом веществе равна нулю. Примеры: Na0, H02, P04. Все элементы могут иметь такую степень окисления.
Сумма степеней окисления всех атомов в сложном веществе равна нулю, а в ионе – заряду иона. Есть элементы, которые могут иметь только одну с.о. (кроме 0) и ее легко можно определить по положению элемента в ПС, а есть элементы с переменной степенью окисления и ее надо уметь определять по формуле вещества.

Рассмотрим применение этого правила на простых примерах.
Пример 1. Необходимо найти степени окисления элементов в аммиаке (NH3).
Пример 2. Укажите степени окисления всех атомов в молекуле H2SO4.
Пример 3. Рассчитайте степени окисления всех элементов в молекуле Al(NO3)3.
Пример 4. Определите степени окисления всех элементов в (NH4)2SO4.

Пример 1. Необходимо найти степени окисления элементов в аммиаке (NH3).
Решение. 1) Обозначим известную с. о. водорода, она равна +1.
2) Неизвестную степень окисления азота обозначаем «х».
3) Составляем простейшее уравнение: х + 3∙(+1) = 0.
Решение очевидно: х = -3. Ответ: N-3H3+1.
Пример 2. Укажите степени окисления всех атомов в молекуле H2SO4.
Решение. 1) Степени окисления водорода и кислорода уже известны: H(+1) и O(-2).
2) Неизвестную с.о. серы обозначаем – х.
3)Составляем уравнение для определения степени окисления серы: 2∙(+1) + х + 4∙(-2) = 0.
Решая данное уравнение, находим: х = +6. Ответ: H+12S+6O-24.

Пример 3. Рассчитайте степени окисления всех элементов в молекуле Al(NO3)3.
Решение. Алгоритм остается неизменным.
В состав "молекулы" нитрата алюминия входит один атом Al(+3), 9 атомов кислорода (-2) и 3 атома азота, степень окисления которого нам и предстоит вычислить. Соответствующее уравнение: 1∙(+3) + 3х + 9∙(-2) = 0. Ответ: Al+3(N+5O-23)3.
Пример 4. Определите степени окисления всех элементов в (NH4)2SO4.
Решение. Степени окисления водорода и кислорода известны, серы и азота - нет. Решить уравнение с двумя неизвестными мы не можем. Будем рассматривать сульфат аммония не как единую "молекулу", а как объединение двух ионов: NH4+ и SO42-. Заряды ионов нам известны, в каждом из них содержится лишь один атом с неизвестной степенью окисления. Получаются уравнения: х+4 = 1 и х + 4∙(-2) = -2 Находим с.о. азота и серы. Ответ: (N-3H4+1)2S+6O4-2.

Рассчитайте степени окисления всех элементов :
MnO2 , Na2SO3, Zn, FeCl3, Cr3N2 , O3 , CoSO4,(NH4)3PO4

Проверьте себя. Где вы сделали ошибку? Почему?
Mn+4O2-2
Na+2S+4O-23
Zn0
Fe+3 Cl3
O03
Cr+23N-3 2
Co+2S+6O-24
(N-3H+4)3P+5O-24

Химические реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными (ОВР).
Определите, какие из реакций относятся к ОВР?
Fe(OH)3 + HCl → FeCl3 + H2O
H2S + O2 → H2O + SO2
HgO => Hg + O2

Проверьте себя
Fe+3(O-2H+)3 + H+Cl- → Fe+3Cl-3 + H+2O-2
H+2S-2 + O02 → H+2O-2 + S+4O-22
Hg+2O-2 => Hg0 + O02

Окисление —это процесс, в котором элемент теряет свои электроны.
Элемент, который теряет электроны и повышает степень окисления, называется восстановитель.
Если атом отдает свои электроны, то он приобретает положительный заряд:
Zn0 -2e = Zn+2
Если отрицательно заряженный ион (заряд -1), например Сl- , отдает один электрон, то он становится нейтральным атомом: Cl- - 1e =Cl0
Если положительно заряженный ион или атом отдает электроны, то величина его положительного заряда увеличивается соответственно числу отданных электронов: Fe+2 - 1e = Fe+3 S+4 - 2e = S+6 Mn+2 - 4e = Mn+6

Восстановление — это процесс, в котором элемент присоединяет электроны.
Элемент, который присоединяет электроны и понижает степень окисления, называется окислителем.
Если атом присоединяет электроны, то появляется отрицательная степень окисления:
S0 + 2e = S-2 Br0 + 1e = Br-
Если положительно заряженный ион принимает электроны, то величина его заряда уменьшается:
S+6 + 2e = S+ 4 Mn+7 + 5e = Mn+2
или положительный ион может превратится в нейтральный атом:
H+ + 1e = H0 Al+3 + 3e = Al0.

По изменению степени окисления определите сколько электронов атом принял или потерял. Обозначьте: где происходит процесс окисления, а где – восстановления? какой из элементов будет окислителем, а какой – восстановителем?
а) Ca0…..=> Ca+2;
б) Al+3 …..=> Al0
в) S-2…..=> S0;
г) Sb+5…..=> Sb+2
д) N+5…..=> N-3

Рассмотрите схему и сделайте вывод:
Как зависят окислительные и восстановительные свойства от степени окисления элементов?
S-2 → S0 → S+4 → S+6
S-2 ← S0 ← S+4 ← S+6

Сера (-2) теряет электроны, т.е. проявляет восстановительные свойства, она не может принять электроны и быть окислителем: S-2 → S0 → S+4 → S+6
Сера (+6) принимает электроны, т.е. проявляет окислительные свойства, она не может отдать электроны и быть восстановителем: S-2 ← S0 ← S+4 ← S+6
В других степенях окисления сера может быть и окислителем, и восстановителем, в зависимости от того, с кем и при каких условиях она взаимодействует.

Вывод:
Окислительные и восстановительные свойства элементов и их соединений зависят и от свойств элемента и от степени окисления в которой находится элемент:
min с.о. – элемент не может принять электроны и быть окислителем, только восстановительные свойства
max с.о. - элемент не может отдать электроны и быть восстановителем, только окислительные свойства
промежуточные с.о. – элемент может быть и окислителем, и восстановителем

Определите какие ОВ свойства будут характерны для элементов:
Мg0 Cu+2 Al+3 Cl0 Sb+5 N-3 N+2

Алгоритм расстановки коэффициентов в уравнениях ОВР методом электронного баланса.
1) Запишите схему реакции (формулы исходных веществ и продуктов реакции).
2) Определите и сравните степени окисления элементов до и после реакции.
3) Выбрать (подчеркнуть) элементы, степени, окисления которых изменяются.
4)Выписать эти элементы (простые вещества выписываются с индексами).
5) Определить сколько отдал или принял элемент электронов (помнить, что электроны заряжены отрицательно).Количество электронов с участием простых веществ умножается на индекс, а перед ионом выставляется коэффициент, равный индексу.
6) Определите окислитель и восстановитель (окислитель всегда принимает электроны – степень окисления понижается, восстановитель их отдает – степень окисления повышается).
7) Выписать то количество электронов, которое определили. Найти для этих чисел наименьшее кратное.

Алгоритм расстановки коэффициентов в уравнениях ОВР методом электронного баланса.
(продолжение)
8) Определить коэффициенты (разделив поочередно наименьшее кратное на количество электронов).
9) Определить процесс окисления и восстановления (окислитель в процессе реакции восстанавливается, восстановитель окисляется).
10) Расставьте коэффициенты перед формулами восстановителя и окислителя методом электронного баланса. Полученные коэффициенты поставить в правой части уравнения (после стрелки) перед теми элементами, напротив которых они стоят в окислительно-восстановительном балансе. Если атомы одного и того же элемента разных реагентов в результате их окисления и восстановления получают одинаковую степень окисления, дополнительные множители проставляют вначале в левую часть уравнения (в последнем уравнении для кислорода).
11) Уравнять правую и левую части уравнения (проверить по кислороду, количество атомов кислорода справа и слева должно быть одинаковым).
12) Устно проверьте правильность составленного уравнения.

Электронный баланс в ОВР
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
+1
0
-1
-1
0
+2
Окислитель
Восстановитель

Пользуясь алгоритмом,
определите степени окисления элементов;
укажите окислитель и восстановитель; расставьте коэффициенты в ОВР методом электронного баланса.
.
1) CH4 + O2 → CO2 + H2O
2) NH3 + O2 → NO + H2O
3) N2 + Na → Na3N
4) P + Mg → Mg3P2
5) H3PO4 + Ca → Ca3(PO4)2 + H2
6) Al + PbCl2 → Al Cl3 + Pb
7) KI + Cu(NO3)2 → CuI + I2 + KNO3
8) MnS + HNO3 → MnSO4 + NO2 + H2O
9) NH4NO3 → N2O + H2O
10) NaClO → NaClO3 + NaCl

Значение ОРВ
Окислительно-восстановительные процессы сопровождают круговороты веществ в природе. С ними связаны процессы брожения, и гниения, горение топлива, процессы фотосинтеза и дыхания, протекающие в живых организмах.

Применение ОВР
Получение оксидов и других соединений в неорганическом и органическом синтезе;
Получение металлов из их природных соединений;
Получение многих продуктов питания (кисломолочные продукты, квашение овощей);
Переработка отходов различных производств.

Обычно в ОВР передача электронов восстановителями окислителям происходит при непосредственном контакте частиц, и энергия химической реакции выделяется в виде тепла.
Энергия любой ОВР может быть превращена в электрическую энергию. Это реализовано в гальванических элементах (батарейках), где электрическая энергия получается из химической энергии ОВР.

Если металлическую пластину (электрод) опустить в водный раствор, то на границе металл-раствор будут происходить химические процессы.
В результате этого ОВ процесса между раствором и металлом, на электроде появляется электрический заряд. А на границе металл – раствор – двойной электрический слой.
Возникающая на границе металл-раствор электролита разность потенциалов, называется электродным потенциалом. Его значение и знак (+ или -) определяются природой раствора и находящегося в нем металла.
Количественно охарактеризовать окислительно-восстановительные процессы позволяют электродные потенциалы.

Электродные потенциалы металлов были измерены при определенных (стандартных) условиях относительно нормального водородного электрода (его потенциал принят равным нулю).
Если расположить металлы в порядке возрастания их электродных потенциалов мы получим ряд активности металлов, которым научились пользоваться еще в школе.

Гальванический элемент Даниеля-Якоби.

Электродные потенциалы металлов

Определить электродные потенциалы можно для любого ОВ процесса. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы представлены в таблицах специальных справочников.

Величина и знак стандартных окислительно-восстановительных потенциалов, позволяют
1) предсказать какие ОВ свойства будут проявлять атомы, ионы или молекулы в химических реакциях. Например
E°(F2/2F—) = +2,87 В – сильнейший окислитель
E°(K+/K) = — 2,924 В – сильнейший восстановитель
2) предсказать возможность самопроизвольного протекания ОВР

Алгоритм определения возможности протекания ОВР
По таблице потенциалов определить потенциал окислителя и восстановителя. Во всех справочниках потенциалы указаны для окислителей, поэтому для восстановителя величину потенциала берут с противоположным знаком.
Найти алгебраическую сумму потенциалов окислителя и восстановителя.
Если ∑ > 0, то реакция возможна.
Если ∑ < 0, то реакция невозможна.
Если ∑ = 0, то в системе равновесие, значит возможность прямой или обратной реакции зависит от условий (концентрации о-в, кислотности среды, температуры).

Реакция между железом и сульфатом меди.

Возможна ли ОВР между веществами (при с.у)
Допишите уравнения возможных реакций.
1) Zn + HCl →
2) Al + PbCl2 →
3) Cr + ZnBr2 →
4) Sn + Pb(NO3)2 →
5) Hg + CuSO4 →
6) Ag + HCl →

Электролиз — окислительно-восстановительные реакции, которые осуществляются на электродах при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита.

Электролиз расплава хлорида натрия
+
–
+
–
Анод
Катод
Cl2↑
Na
электроны

Диссоциация молекул воды при электролизе растворов
Н2О Н + ОH
+
–
+
–
+
–
Анод
Катод
Cl2↑
Na
электроны

Электролиз раствора хлорида натрия
OH
OH
Cl
Na
Na
Cl
H
H
Анод
Катод
+
–