Print bookPrint book

§ 18.1. Окислительно-восстановительные реакции. Важнейшие окислители и восстановители. Окислительно-восстановительные процессы в природе, технике, быту

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 18.1. Окислительно-восстановительные реакции. Важнейшие окислители и восстановители. Окислительно-восстановительные процессы в природе, технике, быту
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 30 May 2024, 6:04 PM

Окислитель — это вещество, в состав которого входят атомы, присоединяющие к себе электроны в процессе химической реакции. Во время реакции эти атомы восстанавливаются, при этом их степень окисления понижается.

Окислительные свойства наиболее выражены у веществ, со свойствами которых вы уже знакомы или познакомитесь далее:

  • • простые вещества — галогены, кислород и озон;
  • • пероксид водорода straight H subscript 2 straight O with negative 1 on top subscript 2, восстанавливаются атомы кислорода в степени окисления −1;
  • • концентрированная серная кислота, восстанавливаются атомы серы в степени окисления +6;
  • • азотная кислота и нитраты, восстанавливаются атомы азота в степени окисления +5;
  • • кислоты (галогеноводородные, фосфорная, разбавленная серная), восстанавливаются атомы водорода в ионе водорода;
  • • кислородсодержащие кислоты хлора и их соли (straight K Cl with plus 1 on top straight O, straight K Cl with plus 5 on top straight O subscript 3), восстанавливаются атомы хлора;
  • • соединения марганца в высших степенях окисления (Mn with plus 4 on top straight O subscript 2, straight K Mn with plus 7 on top straight O subscript 4) , восстанавливаются атомы марганца;
  • • соединения хрома (straight K subscript 2 Cr with plus 6 on top straight O subscript 4, straight K subscript 2 Cr with plus 6 on top subscript 2 straight O subscript 7), восстанавливаются атомы хрома;
  • • соли железа(III), меди(II), серебра(I), восстанавливаются атомы металлов.

Восстановитель — это вещество, в состав которого входят атомы, отдающие электроны в процессе окислительно-восстановительной реакции. Во время реакции эти атомы окисляются, при этом их степень окисления повышается.

Приведём примеры важнейших восстановителей, свойства которых вы будете рассматривать, изучая материал глав VI и VII:

  • • простые вещества — металлы (например, Na, Fe, Zn, Al, Sn и др.);
  • • простое вещество — водород;
  • • углерод, оксид углерода(II) и многие органические соединения (например, альдегиды), окисляются атомы углерода;
  • • сероводород, сульфиды и сульфиты, окисляются атомы серы;
  • • бромиды и йодиды (например, KI), окисляются атомы галогена;
  • • соли железа(II), окисляются атомы железа в степени окисления +2.

Разумеется, приведённый выше перечень веществ не исчерпывает всё разнообразие окислителей и восстановителей. Следует подчеркнуть, что окислители и восстановители различаются по своей силе. Так, например, фтор является одним из самых сильных окислителей, а окислительная способность хлора больше, чем у йода. Для многих веществ окислительная способность зависит от условий реакции. В кислой среде, как правило, окислительная способность более выражена. Ряд веществ в одних условиях обладает окислительной способностью, а в других — восстановительной.

Оценить, будет ли вещество проявлять окислительные или восстановительные свойства, можно, руководствуясь следующими правилами.

Восстановителями являются вещества, содержащие атомы элемента, которые могут проявлять более высокую, чем в данном веществе, степень окисления. Простые вещества металлы всегда являются восстановителями, и в продуктах окисления степень окисления металла имеет только положительные значения.

Атомы неметаллов, входящие в состав соединений в низших степенях окисления, проявляют только восстановительные свойства, например атомы галогена в галогенидах, атомы серы в сульфидах, атомы водорода в гидридах.

Окислителями являются вещества, содержащие атомы элемента, которые могут проявлять более низкую, чем в данном веществе, степень окисления. Сложные вещества, в состав которых входят атомы металлов и неметаллов в высших степенях окисления, всегда являются окислителями, например H2SO4(конц), HNO3, KMnO4, CrO3, HClO4 и др. Понижая свою степень окисления, атомы неметаллов могут приобретать как положительные, так и отрицательные или нулевые значения степени окисления. Окислительная способность веществ в ряду окислителей, как и восстановительная способность веществ в ряду восстановителей, может сильно различаться.

Находясь в промежуточной степени окисления, атомы элемента могут быть окислены более сильным окислителем или восстановлены более сильным восстановителем. Например, железо(II) в оксиде FeO может быть окислено кислородом до Fe(III) или восстановлено углеродом до металлического железа. Свойства как окислителей, так и восстановителей могут проявлять H2O2, FeCl2, SO2, CuCl, углерод, галогены (кроме фтора) и др.

В ряде окислительно-восстановительных реакций часть атомов одного из элементов проявляет свойства окислителя, а другая часть — свойства восстановителя. В результате образуются продукты как окисления, так и восстановления данного элемента. Примерами таких реакций (реакции диспропорционирования) могут служить:

а) взаимодействие оксида азота(IV) с водой:

3 straight N with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space 2 straight H straight N with plus 5 on top straight O subscript 3 space plus space straight N with plus 2 on top straight O semicolon

б) разложение пероксида водорода:

2 straight H subscript 2 straight O with negative 1 on top subscript 2 space end subscript equals space 2 straight H subscript 2 straight O with negative 2 on top space plus space straight O with 0 on top subscript 2 semicolon

в) взаимодействие хлора с раствором щёлочи с образованием солей хлорноватистой и хлороводородной кислот:

Cl with 0 on top subscript 2 space plus space 2 NaOH space rightwards arrow over leftwards arrow space Na Cl with plus 1 on top straight O space plus space Na Cl with negative 1 on top space plus space straight H subscript 2 straight O.

Окислительно-восстановительные процессы распространены в природе. К ним относятся обмен веществ в живых организмах, дыхание, гниение и брожение, фотосинтез. Окислительно-восстановительные процессы сопровождают круговорот веществ в природе. Они протекают при коррозии металлов.

В промышленности и в быту экзотермические окислительно-восстановительные реакции используют при сжигании природного газа, угля, торфа, древесины, нефти и продуктов её переработки. Эти реакции лежат в основе преобразования энергии взаимодействующих химических веществ в электрическую энергию в гальванических и топливных элементах.

В металлургии окислительно-восстановительные процессы используют для восстановления металлов, в химической промышленности — для получения щелочей, кислот, аммиака, спиртов, альдегидов и других продуктов. Подробнее вы познакомитесь со многими окислительно-восстановительными реакциями и их применением при изучении материала глав VI и VII пособия.

В ходе окислительно-восстановительных реакций одновременно протекают два процесса: окисление (отдача электронов восстановителем) и восстановление (присоединение электронов окислителем).

Число электронов, отданных атомами-восстановителями, равно числу электронов, принятых атомами-окислителями.

Способность атомов в составе химических соединений проявлять окислительно-восстановительные свойства зависит от их степени окисления.

Атомы, находящиеся в высших степенях окисления, проявляют окислительную способность, в низших — только восстановительную. В промежуточных степенях окисления атомы способны как окисляться, так и восстанавливаться.

Вопросы, задания, задачи

1. Какие из предложенных веществ — SO3, Na2S, SO2, H2S, H2SO4, BaSO3 — за счёт атомов серы проявляют:

  • а) только окислительные свойства;
  • б) только восстановительные свойства;
  • в) как окислительные, так и восстановительные свойства?

Ответ поясните.

2. Какие из предложенных веществ — N2, NO2, NO, HNO3, NH3, Ba(NO3)2, HNO2 — за счёт атомов азота проявляют:

  • а) только окислительные свойства;
  • б) только восстановительные свойства;
  • в) как окислительные, так и восстановительные свойства?

Ответ поясните.

3. В каждой из схем окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса и укажите элемент, являющийся одновременно окислителем и восстановителем:

  • a) Cu subscript 2 straight O space plus space straight S space rightwards arrow space Cu subscript 2 straight S space plus space SO subscript 2 upwards arrow;
  • б) NH subscript 4 NO subscript 2 space stack rightwards arrow space with t on top straight N subscript 2 upwards arrow plus space straight H subscript 2 straight O upwards arrow;
  • в) NH subscript 4 NO subscript 3 space end subscript stack rightwards arrow space with t on top straight N subscript 2 straight O upwards arrow plus space straight H subscript 2 straight O upwards arrow;
  • г) CuS space plus space straight H subscript 2 SO subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript stack space rightwards arrow with t space on top space CuSO subscript 4 space plus space SO subscript 2 upwards arrow plus space straight H subscript 2 straight O;

4. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса, а также укажите окислители и восстановители:

  • H2CequalsCH2 + KMnO4 + H2O → CH2(OH)minusCH2(OH) + MnO2↓ + KOH;
  • CH3CH2OH + KMnO4 + H2SO4 → CH3COOH + MnSO4 + K2SO4 + H2O;
  • CH3CHO + KMnO4 + H2SO4 → CH3COOH + MnSO4 + K2SO4 + H2O.

5. Для получения уксусного альдегида можно использовать реакцию окисления этилового спирта дихроматом калия (straight K subscript 2 Cr with plus 6 on top subscript 2 straight O subscript 7) в кислой среде. Составьте соответствующее уравнение окислительно-восстановительной реакции.

6. Назовите ряды, в которых два предложенных вещества могут одновременно находиться в растворе:

  • а) сульфат натрия и дихромат калия;
  • б) дихромат калия и серная кислота;
  • в) пероксид водорода и йодид калия;
  • г) пероксид водорода и перманганат калия;
  • д) йодид калия и хлорид натрия;
  • е) гидроксид бария и сульфат магния.

Ответ поясните.

7. Вычислите объём (см3 при н. у.) оксида азота(II), который должен выделиться при растворении 1,92 г меди в разбавленной азотной кислоте, взятой в избытке.

8. В раствор сульфата меди массой 160 г и с массовой долей сульфата меди 20 % опустили гранулу цинка массой 6,5 г. Определите количественный состав (%) раствора после полного растворения гранулы цинка. Приведите уравнение химической реакции, описывающей процесс растворения цинка.

9. В качестве сырья для получения серной кислоты можно использовать пирит (FeS2), в котором атомы имеют степени окисления: железо +2, сера –1. Составьте уравнение обжига пирита в кислороде, в результате которого образуются оксиды железа(III) и серы(IV).

10. В раствор сульфата меди(II) опустили цинковую пластинку и выдержали некоторое время. После этого её извлекли из раствора, высушили и взвесили. Оказалось, что масса пластинки уменьшилась на 0,01 г за счёт выделения на её поверхности меди из раствора. Объясните это явление и определите массу меди, осевшей на пластинке. Принять молярную массу цинка равной 65 г/моль, меди — 64 г/моль.

Самоконтроль

1. К окислительно-восстановительным процессам относятся:

  • a) 2 NO space plus space straight O subscript 2 space equals space 2 NO subscript 2;
  • б) HCOOH equals with t comma space straight H subscript 2 SO subscript 4 on top straight H subscript 2 straight O space plus space CO upwards arrow;
  • в) Al subscript 2 straight S subscript 3 space plus space 6 straight H subscript 2 straight O space equals space 2 Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 downwards arrow plus space 3 straight H subscript 2 straight S upwards arrow;
  • г) 2 Zn left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 2 stack space equals with t on top space 2 ZnO space plus space 4 NO subscript 2 upwards arrow plus space straight O subscript 2 upwards arrow.
  • 2. Только окислительные свойства за счёт атомов галогенов проявляют соединения:
  • а) KClO3 и НСl;
  • в) KCl и NaCl;
  • б) HClO4 и Cl2O7;
  • г) HClO и KCl.

3. В окислительно-восстановительной реакции, уравнение которой 3Cu + 8HNO3(разб) = 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O, образовалась соль количеством 3 моль. Другие процессы не протекали. При этом верными для данной реакции являются утверждения:

  • а) на окисление металла необходима азотная кислота количеством 2 моль;
  • б) для связывания в нитрат образующихся Cu2+ требуется 6 моль кислоты;
  • в) восстановилось 2 моль атомов азота;
  • г) коэффициент перед продуктом восстановления равен 2.

4. Атомы металлов в высших степенях окисления могут:

  • а) и окисляться, и восстанавливаться;
  • б) только восстанавливаться;
  • в) понижать степень окисления;
  • г) отдавать электроны.

5. Атомы марганца в составе МnO2, могут:

  • а) только восстанавливаться;
  • б) только окисляться;
  • в) и окисляться, и восстанавливаться;
  • г) присоединять электроны.