рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Особенности окислительно-восстановительных процессов

Особенности окислительно-восстановительных процессов - раздел Химия, По дисциплине Химия КУРС ЛЕКЦИЙ   При Окислительно-Восстановительных Реакциях Происходит Измене...

 

При окислительно-восстановительных реакциях происходит изменение степени окисления вещества. Реакции можно разделить на те, которые проходят в одном реакционном объеме (например, в растворах) и разных (электрохимические). Подстепенью окисления вещества (СО) понимают воображаемый заряд атома в соединении, вычисленный, исходя из предположения, что соединение состоит из ионов. Определение степени окисления проводят, используя следующие правила:

1. Степень окисления (СО) элемента в простом веществе равна нулю (H2, N2, O3, Cu, K).

2. СО элемента в виде одноатомного иона в соединении, имеющим ионное строение, равна заряду иона (Na+1I-1; Al+3F3-1; Zn+4Br-4-1).

3. В соединениях с ковалентными полярными связями отрицательный заряд относят к более ЭО элементу, причем принимают следующие степени окисления:

а) для фтора (ЭО = 4) СО = -1;

б) для кислорода (ЭО = 3,5) СО = -2, за исключением пероксидов, где СО = -1, озонидов (СО = -1/3) и OF2 (СО = +2).

В) для водорода (ЭО = 2,0) СО = +1, за исключением самообразованных гидридов (Li+1H-1).

Г) для щелочных и щелочноземельных металлов (ЭО = 0,7 –1,0) СО = +1 и +2 соответственно.

4. Алгебраическая сумма СО элементов в нейтральной молекуле равна нулю, в сложном ионе – заряду иона.

Понятие СО для большинства соединений имеет условный характер, так как не отражает реальный эффективный заряд атома. Однако это понятие весьма широко используется в химии.

Большинство элементов могут проявлять переменную степень окисления в зависимости от положения элемента в периодической системе, и связано с электронным строением атома.

Любая окислительно-восстановительная реакция состоит из процессов окисления и восстановления. Окисление – это процесс отдачи электронов веществом, т. е. повышение его степени окисления, вещество при этом называют восстановителем. Восстановление– это процесс присоединения электронов к веществу, т. е. понижение его степени окисления и вещество при этом называется окислителем.

Окислительно-восстановительные реакции условно можно разделить на четыре группы:

Межмолекулярные реакции: в них окислителем и восстановителем являются разные вещества, простые и сложные:

K2Cr2+6O7 + 3K2S+4O3 + 4H2SO4 = Cr2+3(SO4)3 + 4K2S+6O4 + 4H2O

В этой реакции окислителем является дихромат калия (K2Cr2+6O7), а восстановителем – сульфит калия (K2S+4O3).

Вторую группу составляют внутримолекулярные реакции, которые протекают с изменением степени окисления атомов в одной и той же молекуле:

(N-3H4)2Cr2+6O7 = N20 + Cr2+3O3 + 4H2O

Окислителем является хром, изменяющий степень окисления от +6 до +3, а восстановителем служит азот, степень окисления которого меняется от –3 до 0.

К третьей группе относятся реакции диспропорционирования (дисмутации), в которых атомы одного и того же элемента в реагенте окисляются и восстанавливаются:

4KCl+5O3 = 3KCl+7O4 + KCl-1

При термическом разложении бертолетовой соли (KclO3) часть атомов хлора восстанавливается, изменяя степень окисления от +5 до –1, а другая окисляется от +5 до +7.

К четвертой группе относят реакции синпропорционирования (конмутации), в которых атомы одного и того же элемента разных реагентов в результате их окисления и восстановления получают одинаковую степень окисления:

2H2S-2 + S+4О2 = 3S0 + 2H2О

В данном случае сера, входящая в состав сероводорода понизила степень окисления с – 2 до 0 и является восстановителем, входящая в оксид серы, увеличила степень окисления с + 4 до 0, т. е. является окислителем.

Для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций используют два метода: метод электронного баланса и метод полуреакций (электронно-ионный метод).

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса осуществляется в несколько стадий:

5. Записывают уравнение реакции со всеми участвующими в ней веществами без коэффициентов.

6. Выделяют элементы, изменяющие степени окисления в результате реакции и определяют число электронов, приобретенных окислителем и отдаваемых восстановителем.

7. Уравнивают число приобретаемых и отдаваемых элементами электронов, устанавливая тем самым коэффициенты для соединений, в которых присутствуют элементы, изменяющие степени окисления.

8. Подбирают коэффициенты для всех остальных участников реакции.

Рассмотрим в качестве примера реакцию, которая протекает при взаимодействии между бромом и сероводородом:

Br20 + H2S-2 + 2H2О ® HBr-1+ H2S+6О4

После записи уравнения реакции и выделения элементов, изменяющих степени окисления, определяют число электронов, приобретаемых бромом и отдаваемых серой:

Br20 + 2e- ® 2Br-1

S-2 – 8e- ® S+6

В данном случае число отдаваемых серой электронов равно 8, а приобретаемых бромом –2, следовательно, для брома следует ввести коэффициент, равный 4:

4½Br20 + 2e- ® 2Br-1

½S-2 – 8e- ® S+6,

И записать суммарное, сбалансированное по числу отдаваемых и присоединенных электронов уравнение:

4Br20 + S-2 ® 8Br-1+ S+6

После перенесения получаемых коэффициентов в исходное уравнение подбора коэффициентов для остальных участников реакции (в данном случае воды) получаем:

4Br2 + H2S + 4H2О ® 8HBr + H24

Метод электронного баланса достаточно прост, и составление уравнений окислительно-восстановительных реакций не вызывает затруднений, когда в качестве исходных веществ и продуктов реакции выступают вещества, не диссоциирующие на ионы. Однако составление уравнений окислительно-восстановительных реакций значительно осложняется, если в реакции принимает участие соединения с ионной связью. В этом случае элементы, присутствующие в ионах, как правило, лишь частично участвует в окислительно-восстановительных процессах, в то время как другая часть этих ионов участвует в реакциях обмена. Поэтому, метод электронного баланса, рассматривающий лишь переход электронов от восстановителя к окислителю, не позволяет непосредственно определить коэффициенты в окислительно-восстановительных уравнениях без дополнительного использования приема проб и ошибок. Это достигается при использовании электронно-ионного метода, или метода полуреакций.

Чтобы составить такое уравнение окислительно-восстановительной реакции, необходимо:

9. составить ионную схему реакции, определив окислитель, восстановитель и продукты их взаимодействия. При этом сильные электролиты следует записывать в виде ионов, а слабые электролиты, осадки и газы – в виде молекул (продукты реакции определяют опытным путем, или на основании справочных данных);

10. составить электронно-ионные уравнения отдельно для процесса восстановления и процесса окисления, руководствуясь следующими правилами: а) если продукт реакции содержит меньше кислорода, чем исходное вещество, то в кислой среде избыточный кислород связывается с ионами водорода с образованием молекул воды. В нейтральной среде и щелочной среде избыточный кислород взаимодействует с водой, образуя удвоенное число гидроксогрупп; б) на основании закона сохранения массы и энергии при составлении уравнений следует соблюдать баланс вещества и баланс зарядов.

Для примера рассмотрим реакцию, которая протекает при взаимодействии перманганата калия (KmnO4) с нитритом калия (KNO3) в кислой среде (H+).

11. При сливании растворов исходных веществ окраска быстро изменяется от малиновой до почти бесцветной в результате восстановления иона MnO4 до Mn+2:

а) MnO4 - ® Mn+2

Избыточный в левой части уравнения кислород следует связать ионами водорода, так как реакция происходит в кислой среде:

б) MnO4 - + 8 H+ ® Mn+2 + 4Н2О

Учитывая необходимость сохранения баланса зарядов, предыдущая схема должна быть дополнена:

в) MnO4 - + 8 H+ + 5e- ® Mn+2 + 4Н2О

12. Ионы NO2- в процессе реакции окисляются, превращаясь в ионы NO3-

а) NO2- ® NO3-

Избыточный в правой части уравнения кислород следует связать с ионами водорода. При этом для сохранения баланса вещества в левой части уравнения следует подставить одну молекулу воды:

б) NO2- + Н2О ® NO3- + 2Н+

При соблюдении равенства зарядов правой и левой частей уравнения схема принимает следующий вид:

в) NO2- + Н2О – 2e- ® NO3- + 2Н+

13. Для составления полного ионного уравнения этой окислительно-восстановительной реакции необходимо суммировать полученные уравнения реакций окисления и восстановления. Так как общее число электронов, принятых окислителем, должно быть равно общему числу электронов, отданных восстановителем, умножаем уравнение реакции восстановления на число два, а окисления – на число пять, затем складываем их:

2MnO4 - + 16H+ + 10e- + 5NO2- + 5Н2О – 10e- ®

® 2Mn+2 + 8Н2О + 5NO3- + 10Н+

14. Производим возможные упрощения (приведение подобных членов):

2MnO4 - + 6H+ + 5NO2- ® 2Mn+2 + 3Н2О + 5NO3-

15. Для составления уравнения в молекулярном виде следует приписать в правую и левую части уравнения недостающие ионы в одинаковом числе:

2KmnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 ® 2MnSO4 + 5KNO3 + K2SO4 + 3Н2О

Следуя тем же принципам, легко составить уравнение окислительно-восстановительной реакции для тех же реагентов (KmnO4 и KmnO4), взаимодействующих в щелочной среде (КОН).

16. Для процесса восстановления перманганата калия:

а) MnO4 - ® MnO4 2-

б) MnO4 - ® MnO4 2-

в) MnO4 - + e- ® MnO4 2-

17. Для процесса окисления нитрита калия:

а) NO2- ® NO3-

б) NO2- + 2OH- ® NO3- + H2O

в) NO2- + 2OH- - 2e- ® NO3- + H2O

18. Суммирование уравнений реакций окисления и восстановления:

2MnO4 - + 2e- + NO2- + 2OH- - 2e-®

® 2MnO4 2- + NO3- + H2O

19. Приведение подобных членов:

2MnO4 - + NO2- + 2OH- ® 2MnO4 2- + NO3- + H2O

20. составление уравнения окислительно-восстановительной реакции в молекулярном виде:

2KmnO4 + KNO2- + 2KOH ® 2K2MnO4 + KNO3 + H2O

Представленная выше схема более универсальна по сравнению с методом электронного баланса и имеет несомненные преимущества при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций с участием, в частности, органических соединений, пероксида водорода, некоторых соединений серы и т. д.

Направление окислительно-восстановительных реакций можно предсказать, используя второй закон термодинамики. Если изменение энергии Гиббса меньше нуля (DG < 0), то реакция может протекать в прямом направлении, а если больше нуля (DG > 0), то возможна лишь обратная реакция. Реальная скорость процессов зависит от их кинетических констант и условий проведения.

Окислительно-восстановительные реакции играют важную роль в природе и технике. Они могут как наносить огромный ущерб природе и человеку, так и приносить пользу. Примерами первых процессов служат коррозия металлов, лесные пожары, окисление азота при сжигании топлива, образование чрезвычайно токсичных диоксидов. Положительным примером использования окислительно-восстановительных реакций служат реакции получения металлов, органических и неорганических соединений, проведение анализа различных веществ, очищения многих веществ, природных и сточных вод, газообразных выбросов электростанций и заводов и т.п.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие химические реакции относят к обменным, а какие к окислительно-восстановительным?

2. Какие типы обменных химических процессов вам известны?

3. Каковы основные положения электролитической теории кислот и оснований?

4. Каковы основные положения протонной теории кислот и оснований?

5. Каковы основные положения электронной теории кислот и оснований?

6. Что такое гидролиз? Что представляет собой константа гидролиза, степень гидролиза?

7. Что такое степень окисления элементов в соединениях?

8. Каковы типы окислительно-восстановительных реакций вам известны?

9. Какой процесс называют окислением, восстановлением?

10. В чем заключается правило определения степени окисления элемента в простом веществе?

11. В чем заключается правило определения степени окисления элемента в виде одноатомного иона в соединении, имеющем ионное строение?

12. В чем заключается правило определения степени окисления элемента в соединениях с ковалентными полярными связями?

13. Как проводят подбор коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса?

14. Как определяют направление окислительно-восстановительных реакций?

15. Какова роль окислительно-восстановительных процессов в природе и технике?

 

Литература:

1. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высш. шк. – 1990, 560 с.

2. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Высш. шк. – 1983, 650 с.

3. Глинка Н.Л. Сборник задач и упражнений по общей химии. – М.: Высш. шк. – 1983, 230 с.

4. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.:Высшая шк. – 2003, 743 с.

5. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. - М.: Высш. шк. – 1997, 550 с.

 

Лекции 14-15 (4 ч)

 

Тема 9. Электрохимические системы

 

Вопросы:

9.1. Общие понятия электрохимии. Проводники первого и второго рода.

9.2. Понятие об электродном потенциале.

9.3. Гальванический элемент Даниэля-Якоби.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

По дисциплине Химия КУРС ЛЕКЦИЙ

Факультет заочного обучения... Е В Семенова...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Особенности окислительно-восстановительных процессов

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Воронеж 2011
  Лекция № 1 (2ч)   Введение   Вопросы: 1. Предмет химии. Значение химии в изучении природы и развитии техники. 2. Осно

Основные количественные законы химии
  К основным количественным законам химии относятся:закон постоянства состава, закон кратных отношений и закон эквивалентов. Эти законы были открыты в конце XIII – начале XIX веков, и

Современная модель строения атома
В основе современной теории строения атома лежат работы Дж. Томсона (который в 1897 г. открыл электрон, а в 1904 г. предложил модель строения атома, согласно которой атом – это заряженная сфера с в

Орбитальное квантовое число 0 1 2 3 4
Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы, например s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбиталь – гантель. В одной и той же оболочке энергия подуровней возрастает в ряду E

Строение многоэлектронных атомов
  Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это достигается при определенном состоянии электронов, т.e. при определенном распределении электронов по орбиталям. Запись

Периодические свойства элементов
Так как электронное строение элементов изменяется периодически, то, соответственно, периодически изменяются и свойства элементов, определяемые их электронным строением, такие как энергия ионизации,

Периодическая система элементов Д.И.Менделеева
В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойство элементов, а также формы и свойства их соединений

Общая характеристика химической связи
Учение о строении вещества объясняет причины многообразия структуры веществ в различных агрегатных состояниях. Современные физические и физико-химические методы позволяют экспериментально определят

Типы химической связи
К основным типам химической связи относят ковалентную (полярную и неполярную), ионную и металлическую связи. Ковалентной связью называют химическую связь, образованную

Типы межмолекулярных взаимодействий
Связи, при образовании которых перестройка электронных оболочек не происходит, называются взаимодействием между молекулами. К основным видам взаимодействия молекул следует о

Пространственная структура молекул
  Пространственная структура молекул зависит от пространственной направленности перекрывания электронных облаков числом атомов в молекуле и числом электронных пар связей за счет непод

Общая характеристика агрегатного состояния вещества
Почти все известные вещества в зависимости от условий находятся в газообразном, жидком, твердом или плазменном состоянии. Это и называется агрегатным состоянием вещества. Аг

Газообразное состояние вещества. Законы идеальных газов. Реальные газы
Газы распространены в природе и находят широкое применение в технике. Их используют в качестве топлива, теплоносителей, сырья для химической промышленности, рабочего тела для выполнения механическо

Характеристика жидкого состояния вещества
Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газообразными и твердыми телами. Вблизи точки кипения они проявляют сходство с газами: текучи, не имеют определенной формы, аморфн

Характеристики некоторых веществ
    Вещество     Вид кристалла   Энергия кристаллической решетки, кДж/моль   Темпер

Общие понятия термодинамики
  Термодинамика – наука, изучающая превращения различных форм энергии друг в друга и устанавливающая законы этих превращений. Как самостоятельная дисциплин

Термохимия. Тепловые эффекты химических реакций
  Любые химические процессы, а также ряд физических превращений веществ (испарение, конденсация, плавление, полиморфные превращения и др.) всегда сопровождаются изменением запаса внут

Закон Гесса и следствия из него
  На основе многочисленных экспериментальных исследований русским академиком Г. И. Гессом был открыт основной закон термохимии (1840 г.) – закон постоянства сумм теплот реа

Принцип работы тепловой машины. КПД системы
Тепловой машинойназывается такое устройство, которое преобразует теплоту в работу. Первая тепловая машина была изобретена в конце XVIII века (паровая). Сейчас существуют дви

Свободная и связанная энергии. Энтропия системы
  Известно, что любая форма энергии может полностью преобразовываться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично, условно запас внутренней энергии системы

Влияние температуры на направление химических реакций
  DH DS DG Направление реакции DH < 0 DS > 0 DG < 0

Понятие о химической кинетике
  Химической кинетикой называется учение о скорости химических реакций и ее зависимости от различных факторов – природы и концентрации реагирующих веществ, давления,

Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Закон действующих масс
  На скорость химических реакций оказывают влияние следующие факторы: природа и концентрации реагирующих веществ; температура, природа растворителя, присутствие катализатора и т.д.

Теория активизации молекул. Уравнение Аррениуса
  Скорость любой химической реакции зависит от числа столкновений реагирующих молекул, так как число столкновения пропорционально концентрациям реагирующих веществ. Однако не все стол

Особенности каталитических реакций. Теории катализа
  Скорость химической реакции можно регулировать с помощью катализатора. Вещества, которые участвуют в реакциях и изменяют (чаще всего увеличивают) ее скорость, оставаясь к концу реак

Обратимые и не обратимые реакции. Признаки химического равновесия
Все реакции можно поделить на две группы: обратимые и необратимые. Необратимые реакции сопровождаются выпадением осадка, образованием малодиссоциирующего вещества или выделением газа. Обратимые реа

Константа химического равновесия
  Рассмотрим обратимую химическую реакцию общего вида, в которой все вещества находятся в одном агрегатном состоянии, например, жидком: аA + вB D сC + dD, где

Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния воды
Качественная характеристика гетерогенных равновесных систем, в которых не происходит химического взаимодействия, а наблюдается лишь переход составных частей системы из одного агрегатного состояния

Правило фаз для воды имеет вид
С = 1+ 2 – Ф = 3 – Ф если Ф = 1, то С = 2 (система бивариантна) Ф = 2, то С = 1 (система одновариантна) Ф = 3, то С = 0 (система безвариантна) Ф = 4, то С = -1 (

Понятие о химическом сродстве веществ. Уравнения изотермы, изобары и изохоры химических реакций
Под термином «химическое сродство» понимают способность веществ вступать в химическое взаимодействие друг с другом. У различных веществ оно зависит от природы реагирующих ве

Сольватная (гидратная) теория растворения
  Растворами называются гомогенные системы, состоящие из двух или более веществ, состав которых может меняться в довольно широких пределах, допустимых раст

Общие свойства растворов
  В конце XIX века Рауль, Вант-Гофф, Аррениус установили весьма важные закономерности, связывающие концентрацию раствора с давлением насыщенного пара растворителя над раствором, темпе

Типы жидких растворов. Растворимость
Способность к образованию жидких растворов выражена в различной степени у различных индивидуальных веществ. Одни вещества способны растворяться неограниченно (вода и спирт), другие – лишь в огранич

Свойства слабых электролитов
При растворении в воде или других растворителях, состоящих из полярных молекул, электролиты подвергаются диссоциации, т.е. в большей или меньшей степени распадаются на положительно и отрицательно з

Свойства сильных электролитов
Электролиты, практически полностью диссоциирующие в водных растворах, называются сильными электролитами. К сильным электролитам относятся большинство солей, которые уже в кр

При соблюдении этих условий коллоидные частицы приобретают электрический заряд и гидратную оболочку, что препятствует выпадению их в осадок.
К дисперсионным методам получения коллоидных систем относятся: механические – дробление, растирание, размол и т. д.; электрический – получение золей металлов под действ

Устойчивость коллоидных растворов. Коагуляция. Пептизация
  Под устойчивостью коллоидного раствора понимают постоянство основных свойств этого раствора: сохранение размеров частиц (агрегативная устойчивость

Свойства коллоидно-дисперсных систем
Все свойства коллоидно-дисперсных систем можно разделить на три основные группы: молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические. Рассмотрим молекулярно-кинетические

Особенности обменных процессов
Химические реакции разделяются на обменные и окислительно-восстановительные (Ox-Red). Если в реакции не происходит изменение степени окисления, то такие реакции называются обменными. Они возможны п

Общие понятия электрохимии. Проводники первого и второго рода
Электрохимия – это раздел химии, занимающийся изучением закономерностей взаимных превращений электрической и химической энергии. Электрохимические процессы можно разде

Понятие об электродном потенциале
Рассмотрим процессы, протекающие в гальванических элементов, т. е. процессы превращения химической энергии в электрическую. Гальваническим элементомназывают электрохим

Гальванический элемент Даниэля-Якоби
Рассмотрим систему, в которой два электрода находятся в растворах собственных ионов, например, гальванический элемент Даниэля-Якоби. Он состоит из двух полуэлементов: из цинковой пластины, погружен

Электродвижущая сила гальванического элемента
  Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.

Поляризация и перенапряжение
  При самопроизвольных процессах устанавливается равновесный потенциал электродов. При прохождении электрического тока потенциал электродов изменяется. Изменение потенциала электрода

Электролиз. Законы Фарадея
Электролизом называют процессы, протекающие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока через электролиты. При элект

Коррозия металлов
Коррозия – это разрушение металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Это процесс самопроизвольный, идущий с уменьшением энергии Гиббса сист

Методы получения полимеров
  Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называ

Строение полимеров
Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми. Линейные полимеры – это полимеры, которые построены из длинных цепей одномерных элементов, т.

Свойства полимеров
  Свойства полимеров условно можно разделить на химические и физические. И те, и другие свойства связаны с особенностями строения полимеров, способом их получения, природой вводимых в

Применение полимеров
На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты). Волокна получают путем продавливания растворов или

Некоторые реагенты для идентификации катионов
  Реагент Формула Катион Продукт реакции Ализарин C14H6O

Инструментальные методы анализа
В последние годы все более широкое применение получают инструментальные метода анализа, обладающие многими достоинствами: быстротой, высокой чувствительностью, возможностью одновременного определен

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги