11437

РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ - ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8. РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ Введение. Реакции связанные с изменением степени окисления атомов в молекулах реагирующих веществ называются окислительновосстановительными. Степень окисления условный электрический з

Русский

2013-04-07

97.5 KB

16 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8.

РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ - ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Введение.

    

Реакции, связанные с изменением степени окисления атомов в молекулах реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными.  

   Степень окисления - условный электрический заряд атома в химическом соединении ( вычисленный в предположении, что все электроны, участвующие в образовании химической связи, полностью смещены к более электроотрицательному атому ).

    Для определения степени окисления атомов в химическом соединении используют следующие правила:

  1.  степень окисления атомов в простых веществах (напр.: Na , Cl2, O3 ) равна нулю;
  2.  степень окисления одноатомного иона (напр.: Na+,  Cl-,  Zn2+, Al3+ ) равна его заряду;
  3.  степень окисления металлов всегда положительна;
  4.  характерные степени окисления в соединениях проявляют следующие элементы:

- щелочные металлы                  ( +1 ),

- щелочноземельные металлы   ( +2 ),

- бор, алюминий                         ( +3 ), кроме боридов металлов

- фтор                                           ( -1 ), самый электроотрицательный элемент

- водород                                     ( +1 ), кроме гидридов металлов

- кислород                    ( -2 ), кроме пероксидов, надпероксидов, озонидов, и соединений с фтором;

сумма зарядов ( степеней окисления ) всех атомов в молекуле равна нулю ( условие электронейтральности ).

ПРИМЕР 1.

Определить степени окисления атомов в бихромате калия  K2Cr2O7

    Степень окисления щелочного металла калия ( +1 ), степень окисления кислорода ( -2 ), степень окисления хрома обозначим Х. Составляем уравнение электронейтральности: 2(+1) + 2 Х+7 (-2) = 0.

Решаем уравнение относительно Х : получаем степень окисления хрома  ( +6 ).

    Процесс повышения степени окисления - отдачи электронов - называется окислением. Процесс понижения степени окисления - присоединение электронов - называется восстановлением.

     Вещества, атомы которых окисляются (отдают электроны), называются восстановителями, вещества, присоединяющие электроны - окислителями.

    Окислителем может быть вещество, атомы которого способны понижать степень окисления (принимать электроны ), поэтому типичными окислителями являются вещества, содержащие атомы в наивысшей степени окисления. Типичными восстановителями являются вещества, содержащие атомы в низшей степени окисления. Вещества с атомами в одной из промежуточных степеней окисления для данного элемента могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

ПРИМЕР 2.

H2SO4       максимальная степень окисления серы (+6):    только окислитель

H2S           минимальная степень окисления серы (-2):      только восстановитель

H2SО3         промежуточная степень окисления серы (+4):  и окислитель, и  восстановитель.

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.

    Для окислительно-восстановительных реакций, протекающих в водных растворах используют метод ионно-электронных уравнений ( рассмотрим на примере реакции бихромата калия с нитритом натрия в кислой среде ).

    Метод ионно-электронных уравнений включает следующий порядок составления уравнений:

1) записываем схему реакции в молекулярной форме:

                      K2Cr2O7 + NaNO2 + H2SO4 Cr2(SO4)3 + NaNO3 + K2SO4 + H2O

2) составляем схему реакции в ионно-молекулярной форме по общим правилам ( сильные электролиты записываем в виде ионов, слабые электролиты, газы и осадки - в виде молекул ):

               2K+ + Cr2O72- + Na+ + NO2- + 2H+ + SO42-  2Cr3+ + 3SO42- + Na+ + NO3- + 2K+ + SO42- + H2O

3) определяем элементы, изменяющие степени окисления, из ионно-молекулярной схемы реакции выписываем частицы ( выделены ), содержащие атомы этих элементов ( т.е. окислитель и восстановитель ) и составляем схемы отдельно процессов окисления и восстановления:

                                    Cr2O72-        2 Cr3+

                                    NO2-           NO3-

4) составляем уравнения отдельно процессов окисления и восстановления, пользуясь следующими правилами:

для реакции в кислой среде: в ту часть уравнения, которая содержит меньшее число атомов кислорода, прибавляем эквивалентное число молекул воды, в противоположную часть - удвоенное количество ионов Н+;

для реакции в щелочной ( и нейтральной ) среде: в ту часть уравнения, которая содержит меньше атомов кислорода, прибавляем ионы ОН- из расчета два иона ОН- на каждый недостающий атом кислорода , в противоположную часть - вдвое меньшее количество молекул воды;

в рассматриваемом случае реакция идет в кислой среде, поэтому получаем:

                   Cr2O72- + 14 H+          2Cr3+ + 7 H2O

                   NO2-       +  H2O            NO3-  + 2 H+

5) рассчитываем суммарный заряд левых и правых частей уравнений и прибавляем необходимое количество электронов в соответствующую часть уравнения с тем, чтобы суммарное число и знак электрических зарядов слева и справа от знака равенства в каждом уравнении были равны:

                                                          +12                                                   + 6  

          х 1          Cr2O72- + 14 H+ + 6 е-  =   2 Cr3+ + 7 H2O                       восстановление

          х 3          NO2-       +  H2O            =   NO3-  + 2 H+  + 2 е-                окисление

                                                        - 1                                                     +1

6) подбираем наименьшие коэффициенты для полученных уравнений, руководствуясь тем, что общее число электронов, отдаваемых восстановителем, должно быть равно числу электронов, присоединяемых окислителем; с учетом  этих коэффициентов складываем полученные уравнения:

                 Cr2O72- + 14 H+ + 3 NO2-     + 3 H2O    =  2 Cr3+ + 7 H2O + 3 NO3-  + 6 H+

7) производим сокращение одинаковых членов в левой и правой частях уравнения, при этом получаем   сокращенное ионное уравнение заданной реакции:

                                      Cr2O72- + 8 H+ + 3 NO2- =  2 Cr3+ + 4 H2O + 3 NO3-

8) по полученному ионному уравнению составляем молекулярное уравнение реакции ( расставляем коэффициенты в исходном молекулярном уравнении ):

                  K2Cr2O7  +  3 NaNO2  +  4 H2SO4  =  Cr2(SO4)3  +  3 NaNO3  +  K2SO4  +  4 H2O

9) проверяем правильность полученных коэффициентов; рекомендуется делать проверку "по кислороду" ( число атомов кислорода в правой и левой частях уравнения должно быть одинаково ).

Направление реакций окисления-восстановления.

    Процессы окисления и восстановления неразрывны друг от друга и протекают всегда одновременно. Окислитель, присоединяя электроны, превращается в соответствующий восстановитель, и каждому восстановителю соответствует определенный окислитель. Таким образом, окислитель( О ) и восстановитель ( В ) образуют сопряженную окислительно-восстановительную пару, равновесие между компонентами которой выражается схемой:

О +  n e-    B                              ( *)

    Можно сформулировать общий принцип, определяющий окислительно-восстановительные свойства пары О/В: чем сильнее окислитель, тем слабее восстановитель и, наоборот.

    Относительная активность различных окислителей и восстановителей количественно характеризуется величиной стандартного электродного потенциала Ео/в*): чем выше значение Ео/в, тем сильнее окислитель и тем слабее восстановитель пары О/В. 

    Кроме этого, окислительно-восстановительные свойства пары зависят от концентраций окислителя (Со), восстановителя (Св) и температуры в соответствии с уравнением Нернста:

                                 Eо/в = Eо/в + (RT/n) ln Cо/Cв = E + (0.059/n) lg Cо/Cв,                              ( 1 )

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

*) стандартный электродный потенциал определяется как электродвижущая сила гальванического элемента, построенного из электрода, содержащего компоненты данной окислительно-восстановительной пары при их концентрациях 1моль/л и стандартного водородного электрода, потенциал которого по определению равна нулю.

   Окислительно-восстановительные процессы подчиняются общим законам термодинамики, т.е. могут протекать самопроизвольно при выполнении условия: G  0.

    Изменение энергии Гиббса реакции связано с ЭДС ( Е ) гальванического элемента, в котором идет данная окислительно-восстановительная реакция, соотношением: G = - n F E ,              ( 2 )

     где F = 96500 Кл/моль - постоянная Фарадея.      Учитывая это, условие возможности самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции может быть записано в виде:                                                     

                                       Е = Еок - Евос   0           или              Еок   Евос                        ( 3 )

  Иными словами , окислительно-восстановительная реакция возможна, если электродный потенциал пары, содержащей данный окислитель, больше электродного потенциала пары, содержащей данный восстановитель.  

    Значения стандартных электродных потенциалов приводятся в термодинамических таблицах

( см. ПРИЛОЖЕНИЕ ).

ПРИМЕР 3.

Определить возможность протекания реакции между растворами бихромата калия и нитритом натрия ( разобрана в предыдущем разделе ).

    Выписываем уравнения отдельно процессов окисления и восстановления и величины электродных потенциалов, соответствующие этим окислительно-восстановительным парам:

окислитель    Cr2O72- + 14 H+ + 6 е-  =   2 Cr3+ + 7 H2O    восстановление   Е0Cr O   +14H /2Cr  +7H O   = 1,33 В  

восстановитель NO2-     +  H2O         =   NO3-  + 2 H+ + 2 е-    окисление       Е0 NO +2H / NO  +H O       =  0,84 В

Сопоставляя значения потенциалов ( см. соотношение 3 ), делаем вывод, что Cr2O72-  более сильный окислитель, чем NO3-, следовательно данная реакция может протекать самопроизвольно в прямом направлении.

Экспериментальная часть.

ОПЫТ 1. Окислительные и восстановительные свойства химических соединений.

    Рассматривается возможность протекания реакции между перманганатом калия KMnO4 и двумя соединениями серы Na2SO3 и Na2SO4 в кислой среде:

1). KMnO4  +  Na2SO3  + H2SO4

2). KMnO4  +  Na2SO4  + H2SO4

  Протекание реакции фиксируется по изменению фиолетовой окраски раствора.

  В 2 пробирки внесите по 3 капли раствора KMnO4 и 1-2 капли раствора H2SO4. В одну пробирку добавьте 4-5 капель раствора Na2SO3 , в другую - столько же раствора Na2SO4.

1) Отметьте признаки реакции.  

2) Определите степени окисления марганца и серы в исследуемых соединениях. Исходя из этого определите роль каждого соединения в реакциях окисления-восстановления и объясните результаты опыта.

3) Методом электронно-ионных уравнений составьте уравнение реакции:


ОПЫТ 2
. Направление реакций окисления-восстановления.  Вытеснение водорода из кислот.

   Рассматривается возможность протекания окислительно-восстановительной реакции вытеснения молекулярного водорода из раствора серной кислоты металлами - цинком и медью.

1). Zn  + H2SO4 =

2). Cu  + H2SO4 =

   Образование водорода определяется визуально по выделению пузырьков газа.

   В одну пробирку поместите гранулу цинка, в другую - медную проволоку или стружку. В обе пробирки добавьте по 5-6 капель раствора ( 1 моль/л ) серной кислоты.

1) Допишите указанные реакции, отметьте признаки реакций и сделайте выводы об их протекании. 2) Напишите электронно-ионные реакции окисления-восстановления для исследуемых металлов и водорода, выпишите значения электродных потенциалов.

3) Сделайте вывод о возможности протекания данных реакций.

4) Сформулируйте общее правило вытеснения металлами водорода из растворов кислот.

ОПЫТ 3. Реакции диспропорционирования.

    Реакции диспропорционирования ( самоокисления-самовосстановления ) представляют собой особый тип реакций, в которых и окислителем, и восстановителем являются атомы элементов с промежуточной степенью окисления в молекуле одного и того же вещества.

    Рассматривается реакция диспропорционирования пероксида водорода: Н2О2 Н2О + О2. Кислород в Н2О2   находится в промежуточной степени окисления ( -1 ) , поэтому может быть как окислителем, так и восстановителем.

    Реакция протекает в присутствии катализатора - диоксида марганца. Протекание реакции определяется по образованию газообразного кислорода, выделение которого вызывает возгорание тлеющей лучинки. Опыт проводится под тягой в присутствии преподавателя.

1) Составьте ионно-электронные уравнения окисления и восстановления пероксида водорода.

2) Выпишите ( см. приложение ) значения стандартных электродных потенциалов окислительно-восстановительных пар, в которые пероксид водорода входит в качестве окислителя и в качестве восстановителя.

3) Сделайте вывод о возможности самопроизвольного разложения пероксида водорода.


ОПЫТ 4
. Влияние характера среды на особенности протекания реакций окисления-восстановления.

    Изучается характер взаимодействия окислителя KMnO4 и восстановителя Na2SO3  в кислой, нейтральной и щелочной средах.

В зависимости от величины рН раствора окислитель MnO4-  восстанавливается до Mn2+ (в кислой среде), MnO2 (в нейтральной среде) и MnO42- (в сильно-щелочной среде).

Исходный раствор

рН среды

Признаки реакции

Продукты реакции

1

KMnO4  +  Na2SO3  +  H2SO4

рН 7

2

KMnO4  +  Na2SO3  +  H2O

рН = 7

3

KMnO4  +  Na2SO3  +  КОН

рН 7

    В три пробирки внесите 3-4 капли раствора KMnO4. В первую пробирку для создания кислой среды внесите 1-2 капли раствора (1 моль/л ) H2SO4, во вторую для создания щелочной среды 5-6 капель концентрированного раствора КОН, в третьей среда останется нейтральной. В каждую из трех  пробирок добавьте 3-4 капли раствора Na2SO3.

1)В таблице отметьте признаки протекания  и состав продуктов  реакций в каждом случае.

2) Методом электронно-ионных уравнений составьте уравнения проведенных реакций:

2.1)    KMnO4  +     Na2SO3  +     H2SO4

2.2)    KMnO4  +     Na2SO3  +     H2O

2.3)    KMnO4  +     Na2SO3  +      КОН


Вариант предлабораторного теста.

I.        Определите степень окисления хлора в KClO

       1)    +3            2)    +5                   3)   +7                   4)    +1

II.      Укажите процессы восстановления

       1) S4+ = S6+ + 2e-         2) Br7+ + 8e- = Br-        3) Ag = Ag+ + e-          4) Cr2+ + 2e- = Cr

III.    Какие свойства в реакциях окисления-восстановления может проявлять S

       1) окислитель                2) восстановитель        3) и окислитель и восстановитель

IV.    Какая окислительно-восстановительная пара содержит наиболее сильный восстановитель

      1) H3РO3+3H+/P+3H2O, E= -0.5 B         2) Na+/Na, E= -2.71 B         3) Zn2+/Zn, E= -0.76 B

V.     Укажите реакции окисления-восстановления

      1) AgNO3 + KOH  Ag2O + H2O + KNO3           2) Zn(OH)2 + HCl  ZnCl2 + H2O

      3) MnS + HNO3  S + NO + Mn(NO3)2 + H2O     4) Fe(NO3)3 + Al Fe + Al(NO3)3

VI.     Определите тип процесса и сколько электронов ( n ) в нем участвует  Br7+    Br-

     1) n = 6, окисление     2) n = 6, восстановление     3) n = 8, окисление     4) n = 8, восстановление

VII.   Определите X в процессе   S4+ = SX + 2e-

     1)  +4                         2)  +2                       3)  +6                        4)  - 2

VIII.   Определите   n e-   в процессе PbO2 + 4H+ + ne- = Pb2+ + 2H2O

     1)  4                           2)  3                         3)  2                            4)  1

IX.    Определите   n H+   в процессе Mn2+ + 2H2O = MnO2 + nH+ + 2e-

     1)  3                           2)  2                         3)  1                            4)  4

X.     Определите   n OH-  в процессе Si + n OH- = SiO32- + 3H2O + 4e-

    1)  6                            2)  3                         3)  4                            4)  2

Правильные ответы выделены жирным шрифтом.

Контрольные вопросы.

I. Определите, какую роль - окислителя или /и восстановителя - могут играть в реакциях окисления-  

восстановления следующие частицы:

  1.  PO43-,  PO33-        2) Сl-,  ClO2-        3) NO,  NO3-         4) S2-,  SO2         5) Sn,  SnO2

II. Составьте электронно-ионные уравнения взаимного превращения частиц ( см. п. I ) в кислой, нейтральной и щелочной средах.

III. Методом электронно-ионных уравнений составьте уравнение реакции:

  1.  NO2+H2OHNO3+NO             2) Br2+H2O HBr+HBrO3              3) MnO2+KOH KMnO4+Mn(OH)2

4) HClO3  HCl + HClO4            5) P + H2O H3PO3

Определите возможность самопроизвольного протекания реакции.


ПРИЛОЖЕНИЕ.

Стандартные электродные потенциалы окислительно-восстановительных пар 250С

Окислитель

Восстановитель

ne-

E0о/в, В

К+

К

I e

- 2,92

Na+

Na

I e

-2,71

Mn2+

Mn

2 e

-1,18

Zn2+

Zn

2 e

-0,76

Fe2+

Fe

2 e

-0,44

Ni2+

Ni

2 e

-0,25

Sn2+

Pb2+

2H+

Sn

Pb

H2

2 e

2 e

2 e

-0,14

-0,13

0

Cu2+

Cu

2 e

0,34

Br2

2Br -

2 e

1,09

2BrO3-+12H+

Br2+6H2O

10 e

1,52

J2

2J-

2 e

0,54

2JO3-+6H2O

J2+12OH-

10 e

0,21

NO3-+2H+

NO2+2H+

O2+2H+

NO2+H2O

NO+H2O

H2O2

I e

2 e

2 e

0,74

1,07

0,68

H2O2+2H+

2H2O

2 e

1,78

MnO2+2H2O

Mn(OH)2+2OH-

2 e

-0,5

MnO4-+2H2O

MnO2+4OH-

3 e

0,6

Окислитель

Восстановитель

ne-

E0о/в, В

P+3H2O

PH3+3OH-

3 e

-0,89

H3PO3+3H+

P+3H2O

3 e

-0,5

ClO3-+6H+

Cl-+3H2O

6 e

1,45

ClO4-+2H+

ClO3-+H2O

2 e

1,19

S2O82-

2SO42-

2 e

2,01


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38025. Карты изображений 1.45 MB
  подробное описание областей нанесенных на контурную карту: mp nme= Mp re shpe= rect coords= 226074 href= ссылка на Google.ru re shpe= rect coords= 61411276 href= ссылка на мой сайт mp Примечание: жирным выделено то что должно присутствовать обязательно обычным текстом переменные параметры. mp nme= Mp2 re shpe= circle coords= 842826 href= http: google.ru re shpe= poly coords= 65351417858109481107177546345 href= http: srez.
38026. Элементарные таблицы 60 KB
  Если значение ноль то рамка не требуется; cellpdding= cellspcing= добавляют свободное пространство между данными ячейки и ее границами и между ячейками таблицы соответственно. th т th контейнер ячейки Заголовок : заголовок столбца или строки. Значения: left заголовок прижать к левому краю ячейки center заголовок расположить по центру ячейки right заголовок прижать к правому краю ячейки; vlign= задает положение данных в ячейке Заголовок по вертикали. Значения: bottom заголовок прижать к нижнему краю ячейки middle заголовок...
38027. Продолжение разговора о ссылках 63.5 KB
  Способ первый с помощью атрибута nme имя закладки тэга : Заголовки стих первый стих второй стих третий в нашем примере мы сделали закладками использовав атрибут тэга nme: Заметьте href= stih3 символ решетки перед именем закладки на которую мы ссылаемся обязателен.
38028. Создание форм 45.5 KB
  Помимо атрибута type большинство элементов управления требуют указания атрибутов nme и vlue для идентификации имени и исходного значения если таковое имеется. Вот пример кода создающего текстовое поле: input type=â€text†nme=â€usernme†vlue=â€â€ Этот код может пригодиться при создании текстового поля для ввода имени пользователя при подключении к Webузлу. Для полноты картины можно дополнить его полем пароля: input type=â€pssword†nme =“userpss†vlue=â€â€ обратите внимание что атрибуту vlue в обоих случаях присвоено...
38029. Создание фреймов 729 KB
  HTML программа имеющая структуру кадров не должна содержать контейнеры body и наоборот. Обычно это файл HTML программы из того же каталога папки что и сам контейнер но может быть и абсолютный адрес файла с любого компьютера. nofrmes т nofrmes контейнер HTML текста для броузеров которые не поддерживают аппарат кадров. Левый фрейм Верхний правый фрейм Нижний правый фрейм Листинг: главный файл html hed title фреймы title hed frmeset cols= 4 frme frmeborder=yes src= left.
38030. Каскадные таблицы стилей 63.5 KB
  Каскадные таблицы стилей Основным понятием CSS является стиль т. CSS действует другим более удобным и экономичным способом. Кроме того CSS позволяет работать со шрифтовым оформлением страниц на гораздо более высоком уровне чем стандартный HTML избегая излишнего утяжеления страниц графикой. Практическое освоение CSS Как вам уже известно информация о стилях может располагаться либо в отдельном файле либо непосредственно в коде Webстранички.
38032. Структура HTML-документа. Создание элементарной WEB-страницы 502 KB
  Для работы с этими текстами был создан специальный протокол HTTP Hyper Text Trnsfer Protocol были обозначены основные элементы языка разметки HTML. Язык HTML развился из стандартного обобщенного языка описания документов SGML и является его производной созданной для разметки текстовых документов. Существуют разные суждения о том считать HTML языком программирования или нет. С точки зрения программистов он имеет достаточно простой синтаксис и довольно легок в изучении но с другой стороны для простого пользователя иногда постижение...
38033. Форматирование текста 44.5 KB
  Форматирование текста Цель работы: используя теги разбивки текста логического и физического форматирования текста создать страницу по данному образцу. Теги разбивки текста h1 т h1 h2 т h2 h3 т h3 h4 т h4 h5 т h5 h6 т h6 заголовки стилей 1 2 3 4 5 6. Атрибут: lign= задает положение текста абзаца на строке. Значения: left выровнять текст по левому краю center выровнять текст по центру right выровнять текст по правому краю.