Ответы к §44. Окислительно-восстановительные реакции

i. Работа в информационной среде

1. Найдите в Интернете электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных.

Ответ:

1. https://www.tyuiu.ru/wp−content/uploads/2017/05/7.−MU−OVR.pdf
2. http://www.chem.msu.su/rus/teaching/general/praktika/part4.html
3. https://www.1spbgmu.ru/images/home/Obrazovanie/kafedra/Общейибиоорганическойхимии/Удаленка/Окислительно−восстановительныереакции.pdf
4. https://www.yaklass.ru/p/himija/89−klass/klassifikatciia−khimicheskikh−reaktcii−i−zakonomernosti−ikh−protekaniia−212242/klassifikatciia−khimicheskikh−reaktcii−ovr−287184/re−78d287b5−029b−4b9e−94e0−7aefe0d35704
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Окислительно−восстановительные_реакции

2. Используя ресурсы Интернета, подготовьте информационный продукт (по выбору): презентацию по теме урока или сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа.

Ответ:

                           Метод электронного баланса
Окислительно−восстановительные реакции – это реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ.
При составлении уравнений окислительно−восстановительных реакций необходимо определить восстановитель, окислитель и число отдаваемых и принимаемых электронов. Как правило, коэффициенты в уравнениях окислительно−восстановительных реакций подбирают, используя либо метод электронного баланса, либо метод полуреакций.
В методе электронного баланса проводят следующие действия:
1. Определить с.о. всех элементов в молекулах исходных веществ (реагентов) и продуктов реакции.
2. Подчеркнуть символы элементов, изменяющих степень окисления в ходе реакции.
3. Определить окислитель и восстановитель и подписать под формулами молекул, в которых происходит изменение с.о. элементов
4. Составить уравнение процессов окисления и восстановления (электронный баланс). Для этого записать элементы в начальной степень окисления, поставить стрелку и после неё записать этот элемент с измененной степень окисления в продукте. Затем прибавить необходимое количество электронов от начальной степень окисления элемента для получения измененной степень окисления элемента в окисленной форме восстановителя.
5. Число электронов, отдаваемые восстановителем должно быть равно числу электронов, принимаемому окислителем. Для уравнения найти наименьшее общее кратное для количества электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления, и записать дополнительные множители для процессов окисления и восстановления.
6. Найденные множители – это коэффициенты в окислительно−восстановительных реакциях. Подставить коэффициенты в уравнение окислительно−восстановительных реакций перед окислителем и его восстановленной формой, а также перед восстановителем и его окисленной формой
7. Уравнять количество атомов элементов, которые не изменяют степень окисления в последовательности: металл → неметалл → атомы водорода → атомы кислорода.
8. Проверить правильность составления уравнения окислительно−восстановительных реакций и коэффициентов, подсчитав количества атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. Оно должно быть одинаковым.

?. Вопросы и задания

1. Какие из реакций, уравнения которых записаны ниже, относят к окислительно−восстановительным?
а) $CaCO_{3} \overset{t}{=} CaO + CO_{2}$;
б) $CO_{2} + 2Mg \overset{t}{=} 2MgO + C$;
в) $Ba(NO_{3})_{2} + Na_{2}SO_{4} = 2NaNO_{3} + BaSO_{4}$;
г) $2Al + Cr_{2}O_{3} \overset{t}{=} Al_{2}O_{3} + 2Cr$.
Для окислительно−восстановительных реакций укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления, составьте электронные уравнения.

Ответ:

а) $\overset{+2}{Ca}\overset{+4}{C}\overset{-2}{O_{3}} \overset{t}{=} \overset{+2}{Ca}\overset{-2}{O} + \overset{+4}{C}\overset{-2}{O_{2}}$
Ни один из элементов не изменил свою степень окисления, поэтому реакция не является окислительно−восстановительной.

б)                  t
СO₂ + 2 Mg → 2MgO + C
+4 восст-е 0
С + 4 e^- → С      | 4 |    | 1 окислитель
0 окисление +2        4
Mg — 2e^- → Mg | 2 |    | 2 восстановитель

в) $Ba(NO_{3})_{2} + Na_{2}SO_{4} = 2NaNO_{3} + BaSO_{4}$;
$\overset{+2}{Ba}(\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_{3})_{2}} + \overset{+1}{Na_{2}}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_{4}} = \overset{+1}{2Na}\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_{3}} + \overset{+2}{Ba}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_{4}}$
Ни один из элементов не изменил свою степень окисления, поэтому реакция не является окислительно−восстановительной.

г) $2Al + Cr_{2}O_{3} \overset{t}{=} Al_{2}O_{3} + 2Cr$.
+3 восст-е 0
Сr + 3 e^- → Сr    | 3 |   | 1 окислитель
0 окисление +3        3
Al — 3e^- → Al     | 3 |   | 1 восстановитель

2. Дайте характеристику реакции синтеза аммиака по всем изученным вами признакам классификации химических реакций.

Ответ:

$3H_{2} + N_{2} \overset{кат.}{⇄} 2NH_{3} + Q$
Реакция синтеза аммиака является реакцией:
− соединения (из двух простых веществ образуется одно сложное);
− экзотермической (в результате протекания реакции в прямом направлении выделяется теплота);
− окислительно−восстановительной ($Н_{2}^{0}$ − водород − восстановитель, повысил свою степень до +1, N^{3−} − окислитель, понизил свою степень окисления до −3);
− каталитической (для ускорения реакции используется катализатор);
− обратимой (идёт и в прямом, и в обратном направлениях).

3. Из следующих утверждений выберите истинные:
а) к окислительно−восстановительным будут относиться все реакции ионного обмена;
б) все реакции ионного обмена не будут являться окислительно−восстановительными;
в) все реакции замещения являются окислительно−восстановительными;
г) только некоторые реакции замещения являются окислительно−восстановительными реакциями;
д) к окислительно−восстановительным реакциям относят те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество;
е) все реакции разложения и соединения не являются окислительно−восстановительными.
Обоснуйте свою точку зрения, докажите её примерами уравнений реакций.

Ответ:

а) к окислительно−восстановительным будут относиться все реакции ионного обмена.
Утверждение неверно, т.к. существуют реакции ионного обмена, в которых не происходит окислительно−восстановительных процессов.
$\overset{+1}{Na_{2}}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_{4}} + \overset{+2}{Ba}\overset{-1}{Cl_{2} } = \overset{+1}{Na}\overset{-1}{Cl} + \overset{+2}{Ba}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_{4}} ↓$

б) все реакции ионного обмена не будут являться окислительно−восстановительными.
Верно. Все реакции ионного обмена протекают без изменения степеней окисления. Происходит простой обмен катионами и анионами.
$\overset{+1}{H} \overset{-1}{Cl} + \overset{+1}{K}\overset{+3}{N}\overset{-2}{O_{2} }= \overset{+1}{K} \overset{-1}{Cl} + \overset{+1}{H} \overset{+3}{N}\overset{-2}{O_{3}}$

в) все реакции замещения являются окислительно−восстановительными.
Верно. В реакциях замещения атомы простого вещества замещают атомы одного из химических элементов в сложном веществе, поэтому все реакции замещения являются окислительно−восстановительными.
$\overset{+2}{Cu}SO_{4} + \overset{0}{Fe} = \overset{+2}{Fe}SO_{4} + \overset{0}{Cu} ↓$

г) только некоторые реакции замещения являются окислительно−восстановительными реакциями.
Неверно, т.к. все реакции замещения являются окислительно−восстановительными.
$2Na\overset{-1}{I} + \overset{0}{Cl_{2}} = 2Na\overset{-1}{Cl} + \overset{0}{I_{2}}$

д) к окислительно−восстановительным реакциям относят те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество.
Верно. Если в реакции соединения участвует простое вещество, то у него изменяется степень окисления.
$\overset{+2}{2N}\overset{-2}{O} + \overset{0}{O_{2}} = \overset{+4}{2N}\overset{-2}{O_{2}}$
Если в результате реакции разложения образуется простое вещество, то значит у элемента простого вещества изменяется степень окисления на 0.
$2K\overset{+7}{Mn}\overset{0}{O_{4}} = K_{2}\overset{+6}{Mn}O_{4} + \overset{+4}{Mn}O_{2} + \overset{0}{O_{2}}↑$

е) все реакции разложения и соединения не являются окислительно−восстановительными.
Неверно, т.к. существуют реакции разложения и соединения, которые являются окислительно−восстановительными.
$\overset{-3}{N}\overset{+1}{H_{4}}\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_{3}} = \overset{+1}{N_{2}}\overset{-2}{O} + \overset{+1}{2H_{2}}\overset{-2}{O}$

4. Согласны ли вы с утверждением, что $HNO_{3}$ проявляет только окислительные свойства, а $NH_{3}$ − только восстановительные?
Ответ обоснуйте.

Ответ:

В азотной кислоте HNO₃ азот находится в максимальной степени окисления +5, т. е. азот больше не может отдавать электроны, а может только принимать их, поэтому N+5 проявляет только окислительные свойства.
В аммиаке NH₃ азот находится в минимальной степени окисления -3, т. е. азот больше не может принимать электроны, а может их только отдавать, поэтому N-3 проявляет только восстановительные свойства.

5. Какое из веществ — сероводород $H_{2}S$ и серная кислота $H_{2}SO_{4}$ − проявляет только окислительные или только восстановительные свойства? Почему?

Ответ:

В серной кислоте $H_{2}SO_{4}$ сера и водород находится в максимальных степенях окисления +6 и +1 соответственно, поэтому серная кислота проявляет только окислительные свойства, принимая электроны.
В сероводороде $H_{2}S$ сера находится в минимальной степени окисления −2, т. е. сера проявляет только восстановительные свойства, а водород находится в максимальной степени окисления +1, т. е. водород проявляет только окислительные свойства, поэтому сероводород проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства.

6. Обоснуйте тезис, что $SO_{2}$ может быть и окислителем, и восстановителем.

Ответ:

В оксиде серы (IV) $SO_{2}$ сера находится в промежуточной степени окисления +4, т. е. сера может как принимать, так и отдавать электроны, поэтому $SO_{2}$ может быть и окислителем, и восстановителем.

7. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса в следующих схемах реакций:
а) $NH_{3} + O_{2} ⟶ NO + H_{2}O$;
б) $Al + I_{2} ⟶ AlI_{3}$;
в) $HNO_{3} + P + H_{2}O ⟶ H_{3}PO_{4} + NO$;
г) $HCl + KMnO_{4} ⟶ Cl_{2} + KCl + MnCl_{2} + H_{2}O$.

Решение

а) $4NH_{3} + 5O_{2} ⟶ 4NO + 6H_{2}O$;
0     восст-е -2
O₂ + 4 e^- → 2O   | 4 |      | 5 окислитель
-3 окисление +2 |    |  20 |
N — 5e^- →    N    | 5 |      | 4 восстановитель

б) $2Al + 3I_{2} ⟶ 2AlI_{3}$;
0    восст-е -1
I₂ + 2 e^- → 2I     | 2 |     | 3 окислитель
0 окисление +3 |    | 6  |
Al — 3e^- →   Al  | 3 |     | 2 восстановитель

в) $5HNO_{3} + 3P + 2H_{2}O ⟶ 3H_{3}PO_{4} + 5NO$;
+5 восст-е +2
N + 3 e^- → N      | 3 |      | 5 окислитель
0 окисление +5 |    | 15 |
P — 5e^- →   P    | 5 |      | 3 восстановитель

г) $16HCl + 2KMnO_{4} ⟶ 5Cl_{2} + 2KCl + 2MnCl_{2} + 8H_{2}O$.
+7 восст-е +2
Mn + 5 e^- → Mn   | 5 |       | 2 окислитель
-1 окисление 0    |    |  10 |
2Cl — 2e^- → Cl₂  | 2 |       | 5 восстановитель

8. Назовите окислитель в реакциях взаимодействия цинка с соляной и азотной кислотами. Для последней реакции используйте аналогию взаимодействия азотной кислоты с медью.

Ответ:

Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂↑
+1 восст-е   0
2H + 2 e^- → H₂  | 2 |     | 1 окислитель
0 окисление +2 |    |  2 |
Zn — 2e^- → Zn  | 2 |     | 1 восстановитель

3Zn + 8HNO₃ → 3Zn(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
+5 восст-е +2
N + 3 e^- → N      | 3 |   | 2 окислитель
0 окисление +2 |    | 6 |
Zn — 2e^- → Zn  | 2 |    | 3 восстановитель

Темы для дискуссии

1. Растворение — процесс физический или химический? Обоснуйте свою точку зрения.

Ответ:

При растворении частиц вещества происходят физические и химические взаимодействия этих частиц с молекулами растворителя.
Сторонники физической теории растворов, которую развивали Вант−Гофф, Аррениус и Оствальд, считали, что процесс растворения является результатом диффузии, т. е. проникновения растворённого вещества в промежутки между молекулами воды.
В противоположность представлениям физической теории растворов Д. И. Менделеев и сторонники химической теории растворов доказывали, что растворение является результатом химического взаимодействия растворённого вещества с молекулами воды. В результате химического взаимодействия растворённого вещества с водой образуются соединения — гидраты.
Доказательства физических и химических явлений при растворении:
1. Признаки физических явлений:
− диффузия: перемещение частиц растворённого вещества между молекулами растворителя. Появление «качеств» растворённого вещества в растворе.
Растворившийся в воде сахар придаёт сладкий вкус всему раствору.
При растворении в воде краситель окрашивает весь раствор.
2. Признаки химических явлений:
− выделение или поглощение теплоты в процессе растворения.
Процесс растворения концентрированной серной кислоты в воде сопровождается сильным разогреванием раствора. Это явление используется для "химических грелок".
При растворении нитрата аммония в воде происходит сильное поглощение тепла, раствор охлаждается. Этот эффект используют в гипотермимеском пакете автомобильной аптечки для оказания первой помощи, когда нужно приложить холод.
− изменение цвета некоторых соединений при образовании растворов.
Безводный сульфат меди(II) имеет белый цвет, а при его растворении в воде образуется голубой раствор.
В настоящее время принята теория, которая объединяет обе точки зрения, — физико−химическая теория растворов.

2. Диссоциация — процесс физический или химический? Обоснуйте свою точку зрения.

Ответ:

Электролитическая диссоциация − процесс распада электролита на ионы при его растворении или плавлении.
Классическая теория электролитической диссоциации была создана С. Аррениусом и В. Оствальдом в 1887 году. Аррениус придерживался физической теории растворов, не учитывал взаимодействие электролита с водой и считал, что распад на ионы происходит без какого−либо воздействия сил внешней среды и раствор представляет собой механическую взвесь ионов и молекул воды.Но эта теория не могла объяснить тепловые эффекты при растворении. Например, нагревание колбы при разведении в воде серной кислоты или покрытие сосуда инеем при растворении в воде аммиачной селитры или азотнокислого аммония.
Русские химики И. А. Каблуков и В. А. Кистяковский в 1891 году применили для объяснения электролитической диссоциации химическую теорию растворов Д. И. Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходит его химическое взаимодействие с водой, в результате которого электролит диссоциирует на ионы.
В ходе дальнейших экспериментов ученые выяснили, что растворитель и растворенное вещество, взаимодействуя между собой, дают необходимую энергию для разрушения кристаллической решетки электролитов, тем самым подтверждая, что диссоциация − физико−химический процесс.

3. Предложите несколько формулировок для понятия «соли и их классификация»

Ответ:

Солями называют сложные вещества, состоящие из металлических элементов и кислотных остатков.
С точки зрения теории электролитической диссоциации, солями называют электролиты, которые, диссоциируя, образуют положительно заряженные ионы (катионы) металла (или аммония) и отрицательно заряженные ионы (анионы) кислотного остатка.
Классификация солей:
1. По степени замещения водорода на металл в кислоте:
− средние;
− кислые;
− основные.
2. По числу присутствующих в структуре катионов и анионов:
− простые;
− двойные;
− смешанные.
3. По растворимости:
− растворимые;
− мало растворимые;
− нерастворимые соли.