Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР)называются такие реакции, в ходе которых происходит передача электронов от одних частиц (атомов, молекул, ионов) к другим, в результате чего степень окисления атомов, входящих в состав этих частиц, изменяется.

Большинство степеней окисления элементов представлены в параграфе «Основные классы неорганических соединений». Следует помнить, что с.о. простых веществ всегда равна нулю (например, в веществах Al, S, Cl₂, O₂, H₂ и т.п.). Наинизшую (отрицательную) степень окисления, характерную для неметалла, можно найти, вычитая из номера группы восемь. Например для серы из VI группы наинизшая с.о. будет 6 – 8 = –2, для хлора из VII группы наинизшая с.о. будет 7 – 8 = –1.

ОВР – единый взаимосвязанный процесс. Окисление какого-либо элемента приводит к повышению с.о. у этого элемента (т.е. восстановителя), а восстановление – к её понижению у окислителя.

В ходе ОВР элемент-окислитель принимает электроны (акцептор электронов), а элемент-восстановитель отдает электроны (донор электронов).

Восстановление – процесс, в ходе которого окислитель приобретает электроны, а окисление – процесс, в ходе которого восстановитель отдает электроны.

Для нахождения стехиометрических коэффициентов реакции, при составлении уравнений ОВР применяются два метода:

a) Метод электронного баланса используется для составления ОВР, протекающих в газовой и (или) в твердой фазе.

b) Метод полуреакций (или метод электронно-ионного баланса) используется для составления уравнений ОВР, протекающих в водных растворах.

Студенту заочного отделения при выполнении заданий этого раздела рекомендуется использовать метод электронного баланса (т.е. простейший метод).

Составляя уравнения ОВР, надо исходить из того, что число электронов, отдаваемых элементом-восстановителем, должно быть равно числу электронов, принимаемых элементом-окислителем.

Алгоритм действий при составлении уравнений ОВР

по методу электронного баланса:

1. Определить, какие атомы (по заданной схеме реакции) изменили с.о. и составить схемы полуреакций окисления и восстановления.

2. Уравнять каждую полуреакцию, стремясь к тому, чтобы:

· Материально уравнялись левая и праваячасти полуреакций(т.е. число атомов для каждого элемента в левой и правой частях полуреакций).

· Было достигнуто равенство зарядов в левой и правой частях полуреакций.

3. Умножить каждую полуреакцию на коэффициенты:

· учитывающие стехиометриюреагирующих (или образующихся) веществ (т.е. численное отношение между атомами в полуреакциях должно соответствовать стехиометрии молекул).

· для достижения электронного баланса сумма электронов, отданных восстановителем должна быть равна сумме электронов, принятых окислителем.

4. Сложить обе полуреакции (при этом электроны должны сократиться), просуммировав левую с левой частью, а правую с правой.

5. Подставить полученные коэффициенты в схему ОВР и уравнять остальные элементы (т.е. элементы, участвующие в реакции, но не изменяющие свою с.о.).

6. Проверить результат (т.е. получилось ли уравнение ОВР). Проверка достигается простым подсчетом числа атомов каждого элемента слева и справа в итоговой записи результата.

Пример. Составить уравнение ОВР, идущей по схеме:

Mg + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂S + H₂O.

Если в задании даны все (как исходные вещества, так и продукты их взаимодействия), то составление уравнения ОВР сводится к нахождению и расстановке стехиометрических коэффициентов. Коэффициенты находят по методу электронного баланса.

1. Очевидно, что элемент Mg здесь будет восстановителем, а элемент S – окислителем:

Мg → Mg²⁺

S⁶⁺ → S^2–

2. Магний отдает два электрона, в то время как сера принимает восемь электронов:

Мg – 2ē → Mg²⁺

S⁶⁺ + 8ē → S^2–

3. Умножать на коэффициенты, учитывающие стехиометрию молекул, не нужно, так как в каждой молекуле находится по одному атому магния и по одному атому серы. Однако, необходимо умножить первое уравнение на 4, а второе – на 1, чтобы получить равенство электронов:

4·| Мg – 2ē → Mg²⁺

1·| S⁶⁺ + 8ē → S^2–

4. Складывая полуреакции, получим:

4Mg + S⁶⁺ → 4Mg²⁺ + S^2–.

5. Подставляя полученные коэффициенты в схему ОВР получаем:

4Mg + 5H₂SO₄ = 4MgSO₄ + H₂S + 4H₂O.

Перед H₂SO₄ необходимо поставить 5, т.к. часть молекул H₂SO₄ не принимает участия в окислении, но необходима для связывания ионов магния. Для уравнивания атомов водорода и кислорода необходимо поставить коэффициент 4 перед H₂O.

6. Проверяем коэффициенты, пересчитывая каждый тип атомов слева и справа от знака равенства.

В реакции может быть два окислителя или два восстановителя, или же получаться несколько продуктов с разными степенями окисления. В этом случае в соответствующей полуреакции необходимо записать два элемента. Например, для реакции

KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

полуреакции будут выглядеть следующим образом:

1·| 2Mn⁷⁺ + 4ē → Mn⁶⁺ + Mn⁴⁺

1·| 2O^2– + 4ē → 2O.