4. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР)

Пример 4.1. Определить степень окисления хрома в молекуле К2Cr2O7 и ионе (СrО2)−.

Под степенью окисления (с.о.) понимают заряд элемента в соединении, вычисленный, исходя из предположения, что соединение состоит из ионов.

Степень окисления элемента в простом веществе, например, в Zn, Сa, H2, Br2, S, O2, равна нулю.

Определение степени окисления элемента в соединении проводят, используя следующие положения:

1. Cтепень окисления кислорода в соединениях обычно равна –2. Исключения составляют пероксиды H2⁺¹O2^–1, Na2⁺¹O2^–1 и фторид кислорода О⁺²F2.

2. Степень окисления водорода в большинстве соединений равна +1, за исключением солеобразных гидридов, например, Na⁺¹H^-1.

3. Постоянную степень окисления имеют металлы IА группы (щелочные металлы) (+1); IIА группы (бериллий, магний и щелочноземельные металлы) (+2); фтор (–1).

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

Решение. Чтобы рассчитать степень окисления элемента в молекуле, следует:

1) поставить степень окисления над теми элементами, для которых она известна, а искомую степень окисления обозначить через х. В нашем примере известна степень окисления калия (+1) и кислорода (-2):

К2⁺¹Сr2хO7^–2;

2) умножить индексы при элементах на их степени окисления и составить алгебраическое уравнение, приравняв правую часть к нулю:

К2⁺¹Сr2х O7^–2; 2(+1)+ 2x + 7 (–2) = 0; x = + 6.

Степень окисления элемента в ионе определяют также, только правую часть уравнения приравнивают к заряду иона:

(СrхО2⁻²)⁻; x + 2 (–2) = –1; x = + 3.                           

Пример 4.2. Исходя из степени окисления азота в соединениях NH3, KNO2, KNO3, определить, какое из них может быть только восстановителем, только окислителем и какое из них может проявлять и окислительные, и восстановительные свойства.

Решение. Возможные степени окисления азота: –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3, +4, +5. В указанных соединениях степени окисления азота равны: –3 (низшая), +3 (промежуточная), +5 (высшая). Следовательно, N^-3H₃ – только восстановитель, KN⁺³O₂ – и окислитель и восстановитель, KN⁺⁵O₃ – только окислитель.

Пример 4.3. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между веществами: а) HBr и H2S; б) MnO2 и HCl; в) MnO2 и NaBiO3?

Решение. а) в HBr с.о. (Br) = –1 (низшая), в H2S с.о. (S) = –2 (низшая). Так как бром и сера находятся в низшей степени окисления, то могут проявлять только восстановительные свойства, и реакция между ними невозможна; б) в MnO2 с.о. (Mn) = +4 (промежуточная), в HCl с.о. (Cl) = –1 (низшая). Следовательно, взаимодействие этих веществ возможно, причем MnO2 является окислителем;

в) в MnO2 с.о. (Mn) = +4 (промежуточная), в NaBiO3 с.о. (Bi) = +5 (высшая). Взятые вещества могут взаимодействовать. MnO2 в этом случае будет восстановителем.

Пример 4.4. Составить уравнение окислительно-восстановительной реакции, идущей по схеме

KMnO4 + KNO2 + H2SO4 → MnSO4 + KNO3 + K2SO4 + H2O.

Определить окислитель и восстановитель. На основании электронных уравнений расставить коэффициенты.

Решение. Определяем степени окисления тех элементов, которые ее изменяют: KMn⁺⁷O4+ KN⁺³O2+H2SO4 → Mn⁺²SO4+ KN⁺⁵O3 +K2SO4+H2O.

Составляем электронные уравнения процессов окисления и восстановления, определяем окислитель и восстановитель:

N⁺³ – 2ē → N⁺⁵               5 окисление 10

Mn⁺⁷ + 5ē → Mn⁺²      2 восстановление

Уравниваем реакцию методом электронного баланса, суть которого заключается в том, что общее число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем. Находим общее наименьшее кратное для отданных и принятых электронов. В приведенной реакции оно равно 10. Разделив это число на 5, получаем коэффициент 2 для окислителя и продукта его восстановления, а при делении 10 на 2 получаем коэффициент 5 для восстановителя и продукта его окисления. Коэффициенты перед веществами, атомы которых не меняют свои степени окисления, находим подбором.

Уравнение реакции будет иметь следующий вид:

2KMnO₄ + 5KNO₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + 5KNO₃ + K₂SO₄ + 3H₂O.

Пример 4.5. Составить уравнения окислительно-восстановительных реакций, идущих по схемам: а) Mg + HNO3 (разб.)  Mg(NO3)2 + NH4NO3 + H2O;

б) KClO3 → KCl + O2; в) К2MnO4 + H2О →КMnO4 + MnO2 + KOH.

В каждой реакции определить окислитель и восстановитель, расставить коэффициенты, указать тип каждой реакции.

Решение. Составляем уравнения реакций:

4Mg⁰ + 10HN⁺⁵O3 = 4Mg⁺²(NO3)2 +N⁻³H4NO3 +3H2O (1)

в-ль ок-ль, среда

Mg0 – 2ē → Mg⁺²                 4 окисление             

N⁺⁵ + 8ē → N^–3                     1 восстановление;

2KCl⁺⁵O3^-2 = 2KCl^–1 + 3O2⁰ (2)

ок-ль в-ль

2O^–2 – 4ē → O2⁰                                    3 окисление

Cl⁺⁵ + 6ē → Cl^–1                       2 восстановление;

3K2Mn⁺⁶O4 + 2H2O = 2KMn⁺⁷O4 + Mn⁺⁴O2 + 4КОН (3)

в-ль,

ок-ль

Mn⁺⁶ –1ē →Mn⁺⁷                 2 окисление

Mn⁺⁶ + 2ē → Mn⁺⁴             1 восстановление.

Как видно из представленных уравнений, в реакции (1) окислитель и восстановитель – разные элементы в молекулах двух разных веществ, значит, данная реакция относится к типу межмолекулярных окислительно-восстановительных реакций. В реакции (2) окислитель (хлор) и восстановитель (кислород) содержатся в одной молекуле, следовательно, реакция внутримолекулярная. В реакции (3) роль окислителя и восстановителя выполняет один и тот же элемент − марганец, значит, это реакция диспропорционирования.

Задачи и упражнения для самостоятельного решения

4.1. а). Исходя из степени окисления серы в веществах S, H2S, Na2SO3, H2SO4, определить, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какие могут быть и окислителем, и восстановителем. Ответ обосновать.

б). На основании электронных уравнений подобрать коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме: NaI + NaIO3+ H2SO4 → I2+ Na2SO4 + H2O.

Определить тип окислительно-восстановительной реакции.

4.2. Реакции выражаются схемами:

Zn + HNO3 (разб) → Zn(NO3)2 + N2O + H2O;

SnCl2 + K2Cr2O7 + H2SO4  S→ n(SO4)2 + CrCl3 + K2SO4 + H2O.

Составить электронные уравнения, подобрать коэффициенты, указать, какое вещество в каждой реакции является окислителем, какое восстановителем.

4.3. а). Составить электронные уравнения и указать, какой процесс (окисление или восстановление) происходит при следующих превращениях:

P^–3 → P⁺⁵; N⁺³ → N^–3; Cl– → (ClO3)^–; (SO4)2− → S^–2.

б). Реакция выражается схемой

KMnO4 + H2S + H2SO4 → MnSO4 + S + K2SO4 + H2O.

Определить окислитель и восстановитель, на сновании электронных уравнений расставить коэффициенты в уравнении реакции.

4.4. а). Могут ли протекать окислительно-восстановительные реакции между веществами: а) Cl2 и H2S; б) KBr и KBrO; в) HI и NH3? Ответ обосновать.

б). На основании электронных уравнений подобрать коэффициенты, определить тип окислительно-восстановительной реакции, идущей по схеме

NaCrO2 + PbO2 + NaOH → Na2CrO4 + Na2PbO2 + H2O.

4.5. а). Возможные степени окисления железа в соединениях +2, +3, +6. Определить, какое из веществ может быть только восстановителем, только окислителем и какое – и окислителем и восстановителем: FeSO4, Fe2O3, K2FeO4. Ответ обосновать.

б). На основании электронных уравнений подобрать коэффициенты для веществ в уравнении реакции, идущей по схеме

CrCl3 + Br2 + NaOH → Na2CrO4 + NaBr + NaCl + H2O.

4.6. а). Составить электронные уравнения и указать, какой процесс (окисление или восстановление) происходит при следующих превращениях:

As+3 → As+5; (CrO4)2– → (CrO2)–; (MnO4)– → (MnO4)2–; Si+4  Si0.

б). На основании электронных уравнений расставить коэффициенты в реакции, идущей по схеме H2S + H2SO3  S + H2O.

4.7. Реакции выражаются схемами:

NaNO3 → NaNO2 + O2;

MnSO4 + KClO3 + KOH → K2MnO4 + KCl + K2SO4 + H2O.

Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

4.8. Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

KBr + KBrO3 + H2SO4 → Br2 + K2SO4 + H2O;

NH4NO3 → N2O + H2O.

4.9. . Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

H2S + K2Cr2O7 + H2SO4 → S + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2 O;

NaBrO → NaBrO3 + NaBr.

4.10. а). Исходя из степени окисления хлора определить и дать мотивированный ответ, какое из соединений Cl2, HCl, HClO4 является только окислителем, только восстановителем и какое из них может иметь функцию и окислителя, и восстановителя.

б). На основании электронных уравнений расставить коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме HNO3 + Bi → NO + Bi(NO3)3 + H2O.

4.11. . Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

H3AsO3 + KMnO4 + H2SO4→ H3AsO4 + MnSO4 + K2SO4 + H2O;

AgNO3 → Ag + NO2 + O2.

4.12. а). Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между веществами: а) H₂S и Br₂; б) HI и HIO₃; в) KMnO₄ и K₂Cr₂O₇? Ответ обосновать.

б). На основании электронных уравнений расставить коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме

a)     H₂O₂ + KMnO₄ + H₂SO₄ → H₂S^2- + Br₂⁰ = 2HBr^- + S⁰.

б) H₂O₂ + KMnO₄ + H₂SO₄ = O₂ + MnSO₄ + K₂SO₄ +  H₂O

4.13. а). Составить электронные уравнения и указать, какой процесс (окисление или восстановление) происходит при следующих превращениях:

(BrO4)^– → Br2; Bi → (BiO3)^–; (VO3)^– →V; Si^–4 → Si⁺⁴.

б). На основании электронных уравнений подобрать коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме

Al + KMnO4 + H2SO4 → Al2(SO4)3 + MnSO4 + K2SO4 + H2O.

4.14. Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

Na2SO3 + Na2S + H2SO4 → S + Na2SO4 + H2O;

KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2.

4.15. а). Могут ли идти окислительно-восстановительные реакции между следующими веществами: а) PbO2 и KBiO3; б) Н2S и Н2SO3; в) H2SO3 и HClO4? Ответ обосновать.

б). На основании электронных уравнений расставить коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме S + KOH → K2SO3 + K2S + H2O.

Определить тип окислительно-восстановительной реакции.

4.16. Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

(NH4)2Cr2O7 → N2 + Cr2O3 + H2O;

P + HNO3 + H2O → H3PO4 + NO.

4.17. Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

Ba(OH)2 + I2 → Ba(IO3)2 + BaI2 + H2O;

MnSO4 + PbO2 + HNO3 → HMnO4 + Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

Pb(NO3)2 + PbSO4 + H2O.

4.18. Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

AgNO3 + H2O2 + KOH → Ag + O2 + KNO3 + H2O;

Ni(NO3)2 → NiO + NO2 + O2.

4.19. На основании электронных уравнений расставить коэффициенты в уравнениях реакций, идущих по схемам

HNO2 → HNO3 + NO + H2O;

Cr2O3 + KClO3 + KOH → K2CrO4 + KCl + H2O.

Указать окислитель и восстановитель в каждой реакции, определить ее тип.

4.20. Составить электронные уравнения, расставить коэффициенты, определить окислитель и восстановитель в каждой реакции. К какому типу относится каждая из приведенных реакций?

Si + O2 + NaOH → Na2SiO3 + H2O;

NH4NO2 → N2 + H2O.