§39. Окислительно-восстановительные реакции
Вопрос в начале параграфа
✓ Сравните реакции, характеризующие свойства соляной кислоты: её взаимодействие с раствором карбоната натрия и с цинком. Чем различаются эти химические реакции?
Ответ:
Напишем обе реакции:
1) HCl + $Na_{2}$ $CO_{3}$ = NaCl + $CO_{2}$↑ + $H_{2}$O
2) HCl + Zn = $ZnCl_{2}$ + $H_{2}$↑
Можно верно указать различия между реакциями: первая − это гомогенная реакция обмена, вторая − гетерогенная реакция замещения. Однако эти реакции различаются ещё по одному очень существенному признаку. Нетрудно заметить, что в реакции обмена атомы химических элементов, участников этой реакции, не изменили свои степени окисления. Во второй реакции атомы двух элементов − водорода и цинка − изменили свои степени окисления.
Проверьте свои знания
1. Какие реакции называют окислительно−восстановительными?
Ответ:
Если в ходе химического превращения происходит изменение степени окисления атомов хотя бы одного из элементов, реакция называется окислительно−восстановительной.
2. Как найти степень окисления атома химического элемента по формуле его соединения?
Ответ:
Расчет степени окисления атома химического элемента производят, используя степени окисления других элементов и исходя из того, что молекула электронейтральна.
Некоторые химические элементы в соединениях проявляют постоянную степень окисления. К ним относятся:
1) щелочные металлы, т. е. химические элементы IA−группы периодической системы Д. И. Менделеева, которые всегда имеют степень окисления, равную +1;
2) металлы IIA−группы периодической системы Д. И. Менделеева, степень окисления которых всегда равна +2;
3) алюминий, имеющий степень окисления +3;
4) фтор, имеющий степень окисления –1;
5) кислород, проявляющий в подавляющем большинстве соединений степень окисления –2;
6) водород, имеющий в соединениях с большинством неметаллов степень окисления +1, а в соединениях с металлами степень окисления –1.
Другие химические элементы проявляют переменные степени окисления. Например, для хлора характерен набор нечётных степеней окисления: –1, +1, +3, +5, +7, а для серы − чётных: –2, +2, +4, +6.
Следует помнить, что сумма степеней окисления всех химических элементов в молекуле или формульной единице вещества равна нулю (вещество в целом электронейтрально). В простых веществах, которые образованы из атомов одного химического элемента, степень окисления также равна нулю. Пользуясь этими правилами, можно найти степень окисления одного химического элемента по степени окисления другого для сложных веществ: двухэлементных (бинарных) или трёхэлементных соединений.
3. Приведите формулы простых веществ, которые в химических реакциях проявляют свойства: а) окислителя; б) восстановителя.
Ответ:
а) Свойства окислителя в химических реакциях проявляют $Cl_{2}$, $F_{2}$ и др.
б) Свойства восстановителя в химических реакциях проявляют Na, K, $H_{2}$ и др.
4. Приведите формулы сложных веществ, которые в химических реакциях проявляют свойства: а) окислителя; б) восстановителя
Ответ:
а) Свойства окислителя в химических реакциях могут проявлять: $KMnO_{4}$, $H_{2}$ $SO_{4}$, $HNO_{3}$ и др.
б) Свойства восстановителя в химических реакциях могут проявлять: CO, $H_{2}$S, $HNO_{2}$ и др.
Примените свои знания
5. Укажите уравнения окислительно−восстановительных реакций. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления для выбранных вами уравнений.
а) $K_{2}$O + $H_{2}$O = 2KOH
б) 2K + 2$H_{2}$O = 2KOH + $H_{2}$
в) $FeCl_{3}$ + 3KOH = $Fe(OH)_{3}$ + 3KCl
г) Cu + 2$AgNO_{3}$ = $Cu(NO_{3}$ $)_{2}$ + 2Ag
Ответ:
а) Реакция не является окислительно−восстановительной реакцией, так как не изменяются степени окисления.
б) 2K + 2$H_{2}$O = 2KOH + $H_{2}$
$K^{0}$ − 1е = $K^{+1}$ − окисление
2$H^{+1}$ + 2 е = $H_{2}$ − восстановление
Калий в степени окисления 0 является восстановителем.
Водород в степени окисления +1 является окислителем.
Реакция является окислительно−восстановительной реакцией.
в) Реакция не является окислительно−восстановительной реакцией, так как не изменяются степени окисления.
г) Cu + 2$AgNO_{3}$ = $Cu(NO_{3}$ $)_{2}$ + 2Ag
$Cu^{0}$ − 2е = $Cu^{+2}$ − окисление
$Ag^{+1}$ + 1 е = $Ag^{0}$ − восстановление
Медь в степени окисления 0 является восстановителем.
Серебро в степени окисления +1 является окислителем.
Реакция является окислительно−восстановительной реакцией.
6. Определите, в каких схемах имеет место процесс окисления, в каких — восстановления. Укажите число отданных и принятых электронов.
а) 2$H^{+1}$ → $H_{2}$;
б) P → $P^{+5}$;
в) $S^{-2}$ → $S^{+4}$;
г) $Cr^{+6}$ → $Cr^{+3}$;
д) $N^{-3}$ → $N^{+2}$;
е) $Fe^{+3}$ → $Fe^{+2}$;
ж) 2$Cl^{-1}$ → $Cl_{2}$.
Ответ:
а) 2$H^{+1}$ +2 e → $H_{2}$ − восстановление
б) P −5 e → $P^{+5}$ − окисление
в) $S^{-2}$ − 6 e → $S^{+4}$ − окисление
г) $Cr^{+6}$ + 3 e → $Cr^{+3}$ − восстановление
д) $N^{-3}$ − 5 e → $N^{+2}$ − восстановление
е) $Fe^{+3}$ +1 e → $Fe^{+2}$ − восстановление
ж) 2$Cl^{-1}$ − 2 e → $Cl_{2}$ − окисление
7. Используя метод электронного баланса, составьте уравнения реакций, соответствующие следующим схемам превращений:
а) CuO + $NH_{3}$ → Cu + $N_{2}$ + $H_{2}$O
б) HCl + $MnO_{2}$ → $MnCl_{2}$ + $Cl_{2}$ + $H_{2}$O
в) Si + NaOH + $H_{2}$O → $Na_{2}$ $SiO_{3}$ + $H_{2}$
г) Cu + $HNO_{3}$ → $Cu(NO_{3}$ $)_{2}$ + NO + $H_{2}$O
Определите окислители и восстановители.
Ответ:
а) 3CuO + 2$NH_{3}$ = 3Cu + $N_{2}$ + 3$H_{2}$O
$Cu^{+2}$ + 2е = Cu
2$N^{-3}$ − 6е = $N_{2}$
Оксид меди является окислителем, а аммиак − восстановителем.
б) 4HCl + $MnO_{2}$ = $MnCl_{2}$ + $Cl_{2}$ + 2$H_{2}$O
2$Cl^{-1}$ − 2е = $Cl_{2}$
$Mn^{+4}$ + 2е = $Mn^{+2}$
Соляная кислота является восстановителем, а оксид марганца (4) − окислителем.
в) Si + 2NaOH + $H_{2}$O = $Na_{2}$ $SiO_{3}$ + 2$H_{2}$
Si − 4е = $Si^{+4}$
2$H^{+1}$ +2е = $H_{2}$
Кремний является восстановителем, а вода − окислителем.
г) 3Cu + 8$HNO_{3}$ = 3$Cu(NO_{3}$ $)_{2}$ + 2NO + 4$H_{2}$O
Cu − 2е = $Cu^{+2}$
$N^{+5}$ + 3е = $N^{+2}$
Медь является восстановителем, а азотная кислота − окислителем.
8. Укажите коэффициент перед формулой восстановителя в уравнении окислительно−восстановительной реакции, схема которой:
$NH_{3}$ + $O_{2}$ → $N_{2}$ + $H_{2}$O
Ответ:
4$NH_{3}$ + 3$O_{2}$ = 2$N_{2}$ + 6$H_{2}$O
Аммиак является восстановителем. Коэффициент перед формулой восстановителя: 4.
9. В какой из реакций сера выполняет роль восстановителя, а в какой − окислителя?
а) S + Al → $Al_{2}$ $S_{3}$
б) S + $HNO_{3}$ → $SO_{2}$ + $NO_{2}$ + $H_{2}$O
Ответ:
Составим уравнения реакций, используя метод электронного баланса.
а) 3S + 3Al = $Al_{2}$ $S_{3}$
S + 2e = $S^{-2}$
Al − 3e = $Al^{+3}$
Сера является окислителем.
б) S + 4$HNO_{3}$ = $SO_{2}$ + 4$NO_{2}$ + 2$H_{2}$O
S − 4e = $S^{+4}$
$N^{+5}$ + 1e = $N^{+4}$
Сера является восстановителем.
Используйте дополнительную информацию
10. Укажите формулы веществ, которые в химических реакциях могут быть толь−ко окислителями, только восстановителями, а также проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства: а) $F_{2}$; б) Ca; в) $HNO_{3}$; г) P; д) $SO_{2}$. Приведите аргументы.
Ответ:
а) $F_{2}$: для фтора характерна только степень окисления −1, поэтому фтор является окислителем.
б) Ca : для кальция характерна только степень окисления +2, поэтому кальций является восстановителем.
в) $HNO_{3}$: азот в азотной кислоте находится в максимальной своей степени окисления +5, поэтому азотная кислота является окислителем.
г) P : для фосфора характерна как степень окисления +5, так и −3, поэтому фосфор может быть и окислителем, и восстановителем.
д) $SO_{2}$: сера в сернистом газе имеет свою промежуточную степень окисления +4, поэтому сернистый газ может быть и окислителем, и восстановителем.
