Окисно-відновні реакції

1. Окисно-відновні реакції

Порівняємо реакції взаємодії сульфур(VІ) оксиду з водою та сірки з киснем:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄;

S + O₂ = SO₂.

За кількістю реагентів і продуктів обидві реакції відносяться до одного і того ж типу – реакції сполучення.

Звернемо увагу на ступені окиснення елементів у вихідних речовинах і продуктах реакцій

S⁺⁶O₃^-2 + H₂⁺O^-2 = H₂⁺S⁺⁶O₄^-2;                                  (1)

S⁰ + O₂⁰ =S⁺⁴O₂^-2.                                                      (2)

Перша реакція відбувається без зміни ступенів окиснення елементів, а під час другої реакції ступені окиснення елементів змінились.

• Реакції, що супроводжуються зміною ступеня окиснення атомів елементів, називають окисно-відновними.

2. Процеси окиснення і відновлення

Розглянемо, що відбулося з атомами під час взаємодії сірки з киснем:

S⁰ + O₂⁰ =S⁺⁴O₂^-2.

Ступінь окиснення Сульфуру збільшився на 4 одиниці, це означає, що його атоми втратили по 4 електрони, а ступінь окиснення Оксигену зменшився на 2 одиниці – його атоми отримали по 2 електрони:

S⁰ - 4ē → S⁺⁴

О⁰ + 2ē → О⁻²

Елемент, атоми якого віддають електрони, окиснюється, ступінь окиснення його чисельно підвишується. В нашому випадку – це Сульфур.

Оксиген приєднує електрони і відновлюється, ступінь окиснення його чисельно знижується.

• Окиснення – процес віддачі електронів частинками, а відновлення – процес прийняття електронів.

3. Окисники й відновники

• Елементи, що приєднують електрони й понижують ступінь окиснення називають окисниками, а   елементи, що віддають електрони і підвищують ступінь окиснення – відновниками.

Відповідно і частинки (йони, молекули), що містять елемент, який підвищує свій ступінь окиснення, називають відновниками, а ті, що містять елемент, який понижує свій ступінь окиснення, – окисниками.

У реакції взаємодії сірки з киснем:

S + O₂ =SO₂,

Сульфур віддає електрони і окиснюється, тому він виступає відновником, о Оксиген приєднує електрони і відновлюється, тому він виступає окисником.

Оскільки відновники – це речовини, що містять атоми, які втрачають електрони, то відновниками можуть бути речовини, що містять елементи не у вищому ступені окиснення:

• прості речовини неметали:

Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂,

_{Mg⁰ → Mg⁺²;}

• бінарні сполуки неметалічних елементів з металічними елементами та Гідрогеном:

2NaI + Br₂ = I₂ + 2NaBr,

2I^-1 → I₂;

• метали та їх йони, здатні підвищувати свій ступінь окиснення:

2FeCl₂ + Cl₂ = 2FeCl₃,

Fe²⁺ → Fe³⁺;

• складні йони металічних і неметалічних елементів, у яких вони мають проміжний ступінь окиснення:

SO₂ + Cl₂ + 2H₂O = H₂SO₄ + 2HCl,

S⁺⁴ → S⁺⁶;

Оскільки окисники – це речовини, що містять атоми, які приєднують електрони, то окисниками можуть бути речовини, що містять елементи не у нижчому ступені окиснення:

• неметали:

3Cl₂ +2Fe = 2FeCl₃,

Cl₂⁰ → 2Cl^-1;

• катіони металічних елементів:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu,

Cu²⁺ → Cu⁰;

• складні йони або молекули:

5H₂SO₄ + 2P = 2H₃PO₄ + 5SO₂ + 2H₂O,

S⁺⁶ → S⁺⁴.

Висновки

Окисник приєднує електрони і відновлюється.

Відновник віддає електрони і окиснюється

Елемент, який знаходиться у вищому ступені окиснення, проявляє тільки окисні властивості.

Елемент, який знаходиться у нижчому ступені окиснення, проявляє тільки відновні властивості.

Якщо елемент має проміжний ступень окиснення, то він може проявляти властивості окисника і відновника залежно від властивостей речовин, з якими реагує.

4. Складання рівнянь окисно-відновних реакцій

Електронний баланс - метод знаходження коефіцієнтів у рівняннях окисно-відновних реакцій, в якому розглядається обмін електронами між атомами елементів, які змінюють свій ступінь окиснення.

Основою цього методу є наступне правило: 

загальне число електронів, які віддали атоми-відновники, дорівнює загальному числу електронів, які приєднали атоми-окисники.

Розглянемо, як підібрати коефіцієнти, методом електронного балансу для рівняння реакції взаємодії калій хлориду з калій біхроматом у присутності сульфатної кислоти.

Алгоритм добору коефіцієнтів методом електронного балансу.

 1. Записуємо схему реакції:

KCl + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → Cl₂ +Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

2. Визначаємо ступені окиснення елементів у реагентах і продуктах реакції:

+1  −1       +1  +6    −2        +1  +6 −2              0         +3      +6  −2            +1 +6−2          +1  −2 
KCl + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → Cl₂ +Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

3. Знаходимо елементи, які змінили свій ступінь окиснення.

У нашому випадку це Хлор і Хром.

4. Визначаємо число електронів, які приєднав окисник і віддав відновник. Записуємо рівняння напівреакцій процесів окиснення та відновлення, враховуючи мінімальну кількість атомів, які беруть участь у цих процесах.

Молекула хлору складається з двох атомів, а формульні одиниці K₂Cr₂O₇ і Cr₂(SO₄)₃ містять по два атоми Хрому, тому складаємо рівняння напівреакцій для двох атомів Хлору і Хрому. В такому випадку кількість електронів, які віддає або приєднує один атом помножуємо на 2:

2Cl⁻ − 2ē = Cl₂⁰

2Cr⁺⁶ + 6ē = 2Cr⁺³

5. Складаємо електронний баланс.

Щоб зрівняти кількість відданих і прийнятих електронів, рівняння першої напівреакції треба помножити на 6, а другої – на 2. Для цього досить перемістити числа відданих і прийнятих електронів проти верхнього і нижнього рядка так, як показано на схемі

Щоб отримати мінімальні коефіцієнти числа 6 і 2, треба скоротити на 2, отримуємо коефіцієнти 3 і 1, які урівняють кількість відданих і прийнятих електронів.

6. Ці коефіцієнти ставимо перед речовинами, що містять елемент-окисник і елемент-відновник.

Зверніть увагу: оскільки ми визначали баланс для 2 атомів Хлору, то перед калій хлоридом ставимо загальний коефіцієнт 6.

6KCl+ K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄→3Cl₂+Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄+H₂O.

7. Добираємо коефіцієнти для всіх інших учасників реакції методом підбору.

6KCl+K₂Cr₂O₇+ 7H₂SO₄=3Cl₂+Cr₂(SO₄)₃+ 4K₂SO₄ + 7H₂O.

8. Перевіряємо правильність добору коефіцієнтів за елементом, який не зрівнювали. Найчастіше за Оксигеном:

7 + 7∙4 = 4∙3 + 4∙4 + 7

35 = 35.

9. Визначаємо окисник і відновник, процеси окиснення і відновлення:

Відповідь: 6KCl + K₂Cr₂O ₇+ 7H₂SO₄ = 3Cl₂ + Cr₂ (SO₄)₃ + 4K₂SO₄ + 7H₂O.