Примеры сложных окислительно-восстановительных реакций

а) ОВР с тремя атомами, которые меняют степень окисления

Разнообразие окислительно-восстановительных процессов не ограничивается только приведенными выше примерами. В некоторых реакциях степень окисления меняют сразу три и даже более атомов. Рассмотрим такой случай ОВР на примере взаимодействия сульфида мышьяка (III) и концентрированной азотной кислоты.

As₂S₃ + HNO_{3 (конц.)} = H₃AsO₄ + H₂SO₄ + NO₂ + H₂O

Расставим степени окисления:

+3 -2 +1 +5 –2 +1 +5 -2 +1 +6 -2 +4 -2 +1 -2

As₂S₃ + HNO₃ = H₃AsO₄ + H₂SO₄ + NO₂ + H₂O

После определения степеней окисления выявляем, что окислителем является азот в составе азотной кислоты, а восстановители – это мышьяк и сера в составе сульфида мышьяка. Следует отметить, что сульфид мышьяка – это бинарное соединение, в котором атом As⁺³ проявляет амфотерные свойства (атом мышьяка в степени окисления +5 обладает кислотными свойствами). Поэтому сера, как и в любом сульфиде, проявляет степень окисления –2.

Составление реакции окисления начинаем с записи сульфида мышьяка в виде молекулы, потому что это твердое вещество и неэлектролит. Продукты полуреакции также запишем в виде молекул (азотная кислота – концентрированная). В сульфиде мышьяка три атома серы и два атома мышьяка, поэтому перед серной кислотой ставим коэффициент 3, а перед ортомышьяковой кислотой – коэффициент 2. Схема полуреакции:

As₂S₃ → 3H₂SO₄ + 2H₃AsO₄

Количество электронов, которое отдают оба восстановителя, записывается суммарно одним числом. Одна сера отдает восемь электронов, а мышьяк – два. Общее количество электронов = 3 ∙ 8е + 2 ∙ 2е = 28е.

As₂S₃ – 28е → 3H₂SO₄ + 2H₃AsO₄ .

В этой схеме левая часть не содержит атомов водорода и кислорода, поэтому недостающие атомы берем из молекул воды, поскольку она является продуктом реакции:

As₂S₃ – 28е + 20H₂O → 3H₂SO₄ + 2H₃AsO₄ + 28H⁺.

Полуреакция восстановления имеет следующий вид:

NO₃^- + 1е + 2Н⁺ → NO₂ + H₂O.

На основании двух полуреакций составим электронно-ионный баланс:

Исходя из полученного баланса, расставляем коэффициенты в уравнение:

As₂S₃ + 28HNO_{3 (конц.)} = 2H₃AsO₄ + 3H₂SO₄ + 28NO₂ + 8H₂O

б) ОВР с неизвестным продуктами реакции

Зачастую, при выполнении домашних и контрольных заданий по теме ОВР у студентов возникают трудности по составлению неизвестной правой части уравнения реакции. Рассмотрим на примере:

Пример 18.Уравнять ОВР методом электронного баланса. Определить продукты реакции: Bi(OH)₃ + Cl₂ + NaOH = NaBiO₃ + …

Решение:

Определяем степени окисления в исходных веществах и продуктах реакции.

+3 -2 +1 0 +1 -2 +1 +1 +5 -2

Bi(OH)₃ + Cl₂ + NaOH = NaBiO₃ + …

Определив степени окисления известных участников реакции, можно сделать вывод, что висмут +3, является восстановителем, а хлор, следовательно, окислителем (см. п. 3.1).

Окислитель является простым веществом, полуреакция восстановления в данном случае:

Cl₂ + 2e → 2Cl^-.

Реакция окисления составляется с использованием молекулы гидроксида висмута, который переходит в висмутат-ион:

Bi(OH)₃ – 2e → BiO₃^- , в щелочной среде восстановитель берет кислород из гидроксогрупп с образованием воды по следующей схеме:

Bi(OH)₃ – 2e + 3OH^- → BiO₃^- + 3H₂O.

На основании двух полуреакций составим электронно-ионный баланс:

После составления баланса, можно дописать продукты реакции:

Bi(OH)₃ + Cl₂ + NaOH → NaBiO₃ + Сl^- + H₂O.

Полученный в ходе реакции восстановления хлорид-ион не может существовать самостоятельно. Поэтому он присоединяет находящиеся в избытке катионы натрия. Расставляем коэффициенты в уравнение реакции.

Bi(OH)₃ + Cl₂ + 3NaOH = NaBiO₃ + 2NaСl + 3H₂O

Подсчет количества атомов в левой и правой частях уравнения дает следующие результаты: Bi: 1=1; Cl: 2=2; Na: 3=3; H: 6=6; O: 6=6.

Равенство количества атомов говорит о том, что уравнение дописано полностью, а коэффициенты расставлены правильно.

Контрольные вопросы и задания

1. Определите степени окисления атомов в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР), составьте электронные балансы, и уравняйте реакции:

1) KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂O → МnО₂ + Na₂SO₄ + KOH,

2) Mg + H₂SO_4(КОНЦ.) → MgSO₄ + H₂S + H₂O,

3) KI + C1₂ + H₂O → HCI + КIО₃,

4) KI + KMnO₄ + H₂O → MnO₂ + I₂ + KOH,

5) Zn + HNO_3(разб.) → Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + H₂O.

2. Какие типы окислительно-восстановительных реакций существуют? Определите степени окисления атомов, с помощью электронного баланса уравняйте в ОВР и укажите тип реакции:

1) Сu(NO₃)₂ → CuO + NO₂ + O₂,

2) Cl₂ + NaOH → NaCl + NaClO₃ + H₂O,

3) Р + НClO + H₂O → Н₃РO₄ + HCI.

3. Какую роль в ОВР выполняют восстановители? Назовите наиболее важные восстановители.

4. Какую роль в ОВР выполняют окислители? Назовите наиболее важные окислители.

5. Что такое окислительно-восстановительная двойственность? Рассмотрите на примере сернистой кислоты:

Н₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ → МnSО₄ + Н₂SO₄ + K₂SO₄ + H₂O,

Н₂SO₃ + H₂S + H₂O → S↓ + H₂O.

6. Из приведенных ниже веществ выберите типичные окислители. Докажите их свойства с помощью уравнения реакции.

NaI, KClO₄, S, H₂SO₄

7. Из приведенных ниже веществ выберите типичные восстановители. Докажите их свойства с помощью уравнения реакции.

NaI, KClO₄, S, H₂SO₄

8. Из приведенных ниже веществ выберите соединение способное проявлять окислительно-восстановительную двойственность. Докажите его свойства с помощью уравнения реакции.

NaI, KClO₄, S, H₂SO₄

Заключение

Современная химия представляет собой разветвленную область знаний о составе и строении веществ. Познания в области физико-химических свойств простых и сложных веществ помогают в дальнейшем специалистам при разработке и внедрении технологий, сводящих к минимуму вред окружающей среде. Многие сегодняшние экологические проблемы обусловлены производством различных химических веществ и отсутствием современных методов очистки отходящих газов и промышленных вод.

Изучение свойств представителей классов неорганических соединений позволяет в дальнейшем избежать ошибок при обращении с ними. Так, известно, что нельзя воду добавлять к концентрированной серной кислоте, так как реакция протекает с выделением большого количества теплоты и возможно разбрызгивание кислоты и, как следствие, ожоги кожных покровов и что еще хуже - глаз.

Чтобы химические соединения адекватно прочитывались, химиками различных стран ведется поиск номенклатурных правил, максимально отражающих состав и свойства соединений. Химическая номенклатура складывается из формул и названий. Переход от химических формул к названиям и (наоборот) определяется системой номенклатурных правил.

Номенклатурные правила ИЮПАК по составлению названий в различных странах адаптированы к традициям национального языка, так чтобы каждое название возможно легче произносилось и записывалось. В английском варианте правил ИЮПАК названия веществ строятся «по ходу формул», например , H₂S - водорода сульфид , NaCl- натрия хлорид. Однако для русского языка больше подходит французский вариант номенклатуры с «обратным» чтением формул. В названиях на первом месте, как мы видели, должно стоять название электроотрицательной составляющей в именительном падеже, а на втором – обозначение электроположительной составляющей в родительном падеже.

Для ограниченного числа распространенных кислот и их солей правила ИЮПАК рекомендуют использование традиционных названий, например, H₂SO₄- серная кислота, Na₂SO₄ - сульфат натрия. В учебном пособии более широко использованы традиционные названия основных классов неорганических соединений, что связано с необходимостью адаптации студентов I курса нехимических специальностей к вузовской программе по химии.