Окислительно-восстановительные реакции

Химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления элементов, называются окислительно-восстановительными.

Основные положения теории окисления-восстановления

1. Процесс отдачи электронов атомом или ионом называется окислением:

S⁰ - 4e^- ® S⁴⁺ (окисление)

Атом или ион, который отдаёт электроны, называется восстановителем (восстановитель): Zn⁰ -2e^- ® Zn²⁺ (окисление).

2. Процесс присоединения электронов атомом или ионом называется восстановлением: S⁶⁺ + 8e^- ® S^2- (восстановление).

Атомы или ионы, принимающие электроны, называются окислителями (окислитель): Cl^- + e^- ® Cl⁰ (восстановление).

Окислитель во время реакции восстанавливается, а восстановитель окисляется. Окисление невозможно без одновременно протекающего с ним восстановления и наоборот, восстановление одного вещества невозможно без одновременного окисления другого.

3. В окислительно-восстановительных процессах количество электронов, отданных в процессе окисления, всегда должно быть равно количеству электронов, принятых в процессе восстановления.

Пример:

Cu²⁺O^2- + H₂⁰ = Cu⁰ + H₂O^2-

окислитель Cu²⁺ +2e^- ® Cu⁰ восстановление

восстановитель H₂⁰ - 2e^- ® 2H⁺ окисление

4. Уравнивание количества отданных и принятых электронов производят путём подбора коэффициентов с предварительным составлением уравнения электронного баланса

Пример:

Pb²⁺S^2- + HNO₃ ® S⁰ + Pb²⁺(NO₃)₂ + N²⁺O^2- + H₂O

восстановитель S^2- — 2e^- ® S⁰ 3 окисление

окислитель N⁵⁺ + 3e^- ® N²⁺ 2 восстановление

 

3PbS + 8HNO₃ ® 3S + 3Pb(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

5. При составлении уравнения электронного баланса необходимо исходить из такого количества атомов или ионов сколько их входит в состав молекулы исходного вещества, а иногда в состав молекулы продуктов реакции

Пример:

K₂Cr₂⁶⁺O₇ + H₂SO₄ +KJ^- ® J₂⁰ + Cr₂³⁺(SO₄)₃ + K₂SO₄ +H₂O

окислитель 2Cr⁶⁺ + 6e^- ® 2Cr³⁺ 2 1 восстановление

восстановитель 2J^- - 2e^- ® J₂⁰ 6 3 окисление

6. Окислительно-восстановительные процессы протекают чаще всего при наличии среды: нейтральной, кислой или щелочной.

Подбор коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях

При подборе коэффициентов надо учитывать основное положение: число электронов, отданных восстановлением, равно числу электронов, полученных окислением.

После выявления окислителя, восстановителя, к соответствующему равенству реакции составляют цифровую схему перехода электронов (уравнение электронного баланса).

Пример 1. Al + Cl₂ ® AlCl₃, гдеAl – восстановитель, Cl₂ -окислитель.

Схема перехода электронов:

Al⁰ - 3e^- ® Al⁺³ 3 1 окисление

Cl⁰ + e^- ® Cl¹ 1 3 восстановление

Из данной схемы видно, что на один окисляющийся атом алюминия требуется три атома хлора, воспринимающие эти три электрона (смотри вторую графу). Следовательно, на каждый атом алюминия необходимо три атома хлора или на два атома алюминия три молекулы хлора. Получаем коэффициенты:

2Al + 3Cl₂ = AlCl₃.

Пример 2. N^3-H₃ + O⁰₂ ® N²⁺O^2- +H₂O, где O₂ - типичный окислитель, а N^3-H₃ играет роль восстановителя.

Составляем схему (электронный баланс):

N^3- - 5e^- ® N⁺² 5 2 4 окисление

O⁰ + 2e^- ® O^-2 2 5 10 восстановление

На 4 атома азота требуется 10 атомов или 5 молекул кислорода. Получаем коэффициенты:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O.

Особые случаи составления равенств окислительно-восстановительных реакций

1. Если в реакции число электронов, теряемых восстановителем, и число электронов, принимаемых окислителем, является чётными числами, то при нахождении коэффициентов число электронов делят на общий наибольший делитель.

Пример:

H₂SO₃ + HClO₃ ® H₂SO₄ +HCl

восстановитель S⁺⁴ - 2е^- ® S⁺⁶ 6 3 окисление

окислительCl⁺⁵ + 6e^- ® Cl^- 2 1 восстановление

 

Коэффициентами у восстановителя и окислителя будут не 2 и 6, а 1и 3:

3H₂SO₃+3HClO₃=3H₂SO₄+HCl.

Если же число электронов, теряемых восстановителем и приобретаемых окислителем, нечетно, а в результате реакции должно получиться чётное число атомов, то коэффициенты удваиваются.

Пример:

KJ^- + KMn⁺⁷O₄ + H₂S⁺⁶O₄ ® J^o₂ + K₂S⁺⁶O₄ + Mn⁺²SO₄ + H₂O

восстановитель J^- -1e^- ® J^o 5 10 окисление

окислитель Mn⁺⁷ + 5e^-® Mn⁺² 1 2 восстановление

 

Коэффициентами у окислителя и восстановителя будут не 1 и 5, а 2 и 10:

10KJ + 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ = 5J₂ + 6K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O.

2. Иногда восстановитель или окислитель расходуется дополнительно на связывание образующихся в результате реакции продуктов.

Пример:

HBr^- + KMn⁺⁷O₄ + HBr ®Br⁰₂ + KBr^- + Mn⁺² Br₂⁰ + H₂O

восстановитель Br^- - e^- ® Br⁰ 5 10 окисление

окислитель Mn⁺⁷ + 5e^- ® Mn⁺² 1 2 восстановление

В этой реакции десять молекул HBr реагируют как восстановители, а шесть молекул HBr необходимы для связывания получающихся веществ (солеобразование):

10HBr + 2KMnO₄ + 6HBr = 5Br₂ + 2KBr + 2MnBr₂ + 8H₂O.

3.Окисляются одновременно и положительные и отрицательные ионы молекулы восстановителя.

Пример:

As₂⁺³S₃^-2 + HN⁺⁵O₃ ® H₃As⁺⁵O₄ + H₂S⁺⁶O₄ + N⁺²O + H₂O

Здесь ионы As⁺³ окисляются в ионы As₂⁺³ и одновременно ионы S^-2 окисляются в ионы S⁺⁶ а анионы N⁺⁵ восстанавливаются до N⁺².

2Аs⁺³ - 4e^- ® 2Аs⁺⁵

восстановители 3S^-2 - 24e^- ® 3S⁺⁶ окисление

окислитель N⁺⁵ + 3e^- ® N⁺² восстановление

В этой реакции на каждые три молекулы As₂S₃ реагируют 28 молекул HNO₃. Проверяем правильность составления равенств реакции путём подсчёта атомов водорода и кислорода в правой и левой частях. Таким образом, находим, что в реакцию вступают ещё 4 молекулы воды, которые должны быть приписаны к левой части равенства для окончательной его записи:

3As₂S₃ + 28HNO₃ + 4H₂O = 6H₃AsO₄ + 9H₂SO₄ + 28NO

2As⁺³ –4e®2As⁺⁵ 4

3S^-2 –24e®3S⁺ 24

восстановители 2As⁺³ + 3S^-2 - 28e^- ®2As⁺⁵ + 3S⁺⁶ 3 окисление

окислитель N⁺⁵ + 3e^- ®N⁺² 28 восстановление

 

4. Восстановителем и окислителем являются ионы одного и того же элемента, но входящие в состав различных веществ.

Пример:

KJ^- + KJ⁺⁵O₃ + H₂SO₄ ® J⁰₂ + K₂SO₄ + H₂O

восстановитель J^- - е^- ® J⁰ 5 окисление

окислитель J⁺⁵ + 5e^- ®J⁰ 1 восстановление

Следовательно, равенство реакции

5KJ + KJO₃ + 3H₂SO₄ = 3J₂ + 3K₂SO₄ + 3H₂O.

5.Восстановителем и окислителем являются ионы одного и того же элемента, входящие в состав одного вещества (самоокисление -самовосстановление).

Пример:

HN⁺³O₂ ® HN⁺⁵O₃ + N⁺²O + H₂O

восстановитель N⁺³ - 2e^- ® N⁺⁵ 1 окисление

окислитель N⁺³ + e^- ® N⁺² 2 восстановление

Следовательно, равенство реакции

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O.