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

62597. Особенности построения уроков в технологиях развивающего и традиционного обучения 6.88 MB
  Текстовые задачи являются тем богатейшим материалом на котором решается важнейшая задача преподавания математики развитие математического мышления и творческой активности учащихся. В четвертых усиливает желание детей учиться то есть само отношение учащихся к учебному предмету...
62598. Трагическая любовь в рассказе А. И. Куприна «Гранатовый браслет» 183.41 KB
  Цель урока: показать мастерство Куприна в изображении мира человеческих чувств; роль детали в рассказе; Расширить и углубить представления учащихся о Куприне мастере художественного слова; Вызвать чувство восхищения чистой возвышенной любовью...
62600. Налог на имущество организаций 290.92 KB
  Цель занятия: ознакомление с нормативными документами исчисления налога изучение объекта налогообложения и особенностей определения налогооблагаемой базы учет налога на счетах предприятия приобретение навыков расчета налога заполнения соответствующих налоговых документов.
62602. Права дитини 115.98 KB
  Мета: сформувати в учнів уявлення про Декларація прав дитини зясувати обовязки та права дітей; розвивати вміння висловлювати свою думку; виховувати почуття відповідальності за себе та за свої вчинки. Що ви очікуєте від сьогоднішнього уроку...