Глава V. Химическая связь. Окислительно-восстановительные реакции. § 39. Окислительно-восстановительные реакции — с. 169
§ 39. Проверьте свои знания.
1. Какие реакции называют окислительно-восстановительными?
Окислительно-восстановительными называют реакции, в результате которых изменяются степени окисления атомов химических элементов, образующих вещества. Изменение степеней окисления происходит из-за перехода электронов от одних атомов к другим. Пример: 2HCl + Zn = ZnCl₂ + H₂↑ (H⁺¹ → H⁰, Zn⁰ → Zn⁺²). Все реакции замещения — окислительно-восстановительные; реакции обмена к ним не относятся; реакции соединения и разложения бывают как окислительно-восстановительными, так и нет.
§ 39. Проверьте свои знания.
2. Как найти степень окисления атома химического элемента по формуле его соединения?
Нужно использовать правило: сумма степеней окисления всех атомов в молекуле (формульной единице) равна нулю. Сначала записывают известные степени окисления (постоянные: щелочные металлы +1, металлы IIA-группы +2, Al +3, F −1, O обычно −2, H +1 или −1 в гидридах металлов), затем неизвестную обозначают x и составляют уравнение с учётом индексов. Пример: H₂SO₄: 2·(+1) + x + 4·(−2) = 0, x(S) = +6. В простом веществе степень окисления равна 0.
§ 39. Проверьте свои знания.
3. Приведите формулы простых веществ, которые в химических реакциях проявляют свойства: а) окислителя; б) восстановителя.
а) Окислители (принимают электроны, степень окисления понижается): типичные неметаллы — F₂, Cl₂, Br₂, O₂, O₃. Например, Cl₂⁰ + 2e⁻ → 2Cl⁻¹.
б) Восстановители (отдают электроны, степень окисления повышается): металлы — Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, а также водород H₂ и углерод C. Например, Zn⁰ − 2e⁻ → Zn⁺².
б) Восстановители (отдают электроны, степень окисления повышается): металлы — Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, а также водород H₂ и углерод C. Например, Zn⁰ − 2e⁻ → Zn⁺².
§ 39. Проверьте свои знания.
4. Приведите формулы сложных веществ, которые в химических реакциях проявляют свойства: а) окислителя; б) восстановителя.
а) Окислители: сложные вещества, содержащие элементы в высшей или высокой степени окисления: KMnO₄ (Mn⁺⁷), HNO₃ (N⁺⁵), концентрированная H₂SO₄ (S⁺⁶), K₂Cr₂O₇ (Cr⁺⁶), KClO₃ (Cl⁺⁵), CuO (Cu⁺²), FeCl₃ (Fe⁺³).
б) Восстановители: сложные вещества, содержащие элементы в низшей степени окисления: H₂S (S⁻²), NH₃ (N⁻³), HI (I⁻¹), HCl (Cl⁻¹), CH₄ (C⁻⁴), а также CO (C⁺²) и FeCl₂ (Fe⁺²).
б) Восстановители: сложные вещества, содержащие элементы в низшей степени окисления: H₂S (S⁻²), NH₃ (N⁻³), HI (I⁻¹), HCl (Cl⁻¹), CH₄ (C⁻⁴), а также CO (C⁺²) и FeCl₂ (Fe⁺²).
§ 39. Примените свои знания.
5. Укажите схемы окислительно-восстановительных реакций. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления для выбранных вами уравнений.
а) K₂O + H₂O → KOH
б) K + H₂O → KOH + H₂
в) FeCl₃ + KOH → Fe(OH)₃ + KCl
г) Cu + AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + Ag
а) K₂O + H₂O → KOH
б) K + H₂O → KOH + H₂
в) FeCl₃ + KOH → Fe(OH)₃ + KCl
г) Cu + AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + Ag
Определяем изменение степеней окисления.
а) K₂O + H₂O = 2KOH: K⁺¹, O⁻², H⁺¹ не изменяются — не ОВР.
в) FeCl₃ + 3KOH = Fe(OH)₃↓ + 3KCl: Fe⁺³, Cl⁻¹, K⁺¹ не изменяются — реакция обмена, не ОВР.
б) Схема ОВР. K⁰ + H₂⁺¹O → K⁺¹OH + H₂⁰
K⁰ − 1e⁻ → K⁺¹ | 2 — окисление
2H⁺¹ + 2e⁻ → H₂⁰ | 1 — восстановление
Уравнение: 2K + 2H₂O = 2KOH + H₂↑. Восстановитель — калий (K⁰), окислитель — вода (за счёт H⁺¹).
г) Схема ОВР. Cu⁰ + Ag⁺¹NO₃ → Cu⁺²(NO₃)₂ + Ag⁰
Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² | 1 — окисление
Ag⁺¹ + 1e⁻ → Ag⁰ | 2 — восстановление
Уравнение: Cu + 2AgNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2Ag↓. Восстановитель — медь (Cu⁰), окислитель — нитрат серебра (за счёт Ag⁺¹).
а) K₂O + H₂O = 2KOH: K⁺¹, O⁻², H⁺¹ не изменяются — не ОВР.
в) FeCl₃ + 3KOH = Fe(OH)₃↓ + 3KCl: Fe⁺³, Cl⁻¹, K⁺¹ не изменяются — реакция обмена, не ОВР.
б) Схема ОВР. K⁰ + H₂⁺¹O → K⁺¹OH + H₂⁰
K⁰ − 1e⁻ → K⁺¹ | 2 — окисление
2H⁺¹ + 2e⁻ → H₂⁰ | 1 — восстановление
Уравнение: 2K + 2H₂O = 2KOH + H₂↑. Восстановитель — калий (K⁰), окислитель — вода (за счёт H⁺¹).
г) Схема ОВР. Cu⁰ + Ag⁺¹NO₃ → Cu⁺²(NO₃)₂ + Ag⁰
Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² | 1 — окисление
Ag⁺¹ + 1e⁻ → Ag⁰ | 2 — восстановление
Уравнение: Cu + 2AgNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2Ag↓. Восстановитель — медь (Cu⁰), окислитель — нитрат серебра (за счёт Ag⁺¹).
§ 39. Примените свои знания.
6. Определите, в каких схемах имеет место процесс окисления, в каких — восстановления. Укажите число отданных и принятых электронов.
а) 2H⁺¹ → H₂⁰; б) P⁰ → P⁺⁵; в) S⁻² → S⁺⁴; г) Cr⁺⁶ → Cr⁺³; д) N⁻³ → N⁺²; е) Fe⁺³ → Fe⁺²; ж) 2Cl⁻¹ → Cl₂⁰.
а) 2H⁺¹ → H₂⁰; б) P⁰ → P⁺⁵; в) S⁻² → S⁺⁴; г) Cr⁺⁶ → Cr⁺³; д) N⁻³ → N⁺²; е) Fe⁺³ → Fe⁺²; ж) 2Cl⁻¹ → Cl₂⁰.
а) 2H⁺¹ + 2e⁻ → H₂⁰: восстановление, принято 2 электрона.
б) P⁰ − 5e⁻ → P⁺⁵: окисление, отдано 5 электронов.
в) S⁻² − 6e⁻ → S⁺⁴: окисление, отдано 6 электронов.
г) Cr⁺⁶ + 3e⁻ → Cr⁺³: восстановление, принято 3 электрона.
д) N⁻³ − 5e⁻ → N⁺²: окисление, отдано 5 электронов.
е) Fe⁺³ + 1e⁻ → Fe⁺²: восстановление, принят 1 электрон.
ж) 2Cl⁻¹ − 2e⁻ → Cl₂⁰: окисление, отдано 2 электрона (по одному от каждого иона).
б) P⁰ − 5e⁻ → P⁺⁵: окисление, отдано 5 электронов.
в) S⁻² − 6e⁻ → S⁺⁴: окисление, отдано 6 электронов.
г) Cr⁺⁶ + 3e⁻ → Cr⁺³: восстановление, принято 3 электрона.
д) N⁻³ − 5e⁻ → N⁺²: окисление, отдано 5 электронов.
е) Fe⁺³ + 1e⁻ → Fe⁺²: восстановление, принят 1 электрон.
ж) 2Cl⁻¹ − 2e⁻ → Cl₂⁰: окисление, отдано 2 электрона (по одному от каждого иона).
§ 39. Примените свои знания.
7. Используя метод электронного баланса, составьте уравнения реакций, соответствующие следующим схемам превращений:
а) CuO + NH₃ → Cu + N₂ + H₂O
б) HCl + MnO₂ → MnCl₂ + Cl₂ + H₂O
в) Si + NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + H₂
г) Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O
Определите окислители и восстановители.
а) CuO + NH₃ → Cu + N₂ + H₂O
б) HCl + MnO₂ → MnCl₂ + Cl₂ + H₂O
в) Si + NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + H₂
г) Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O
Определите окислители и восстановители.
а) Cu⁺²O + N⁻³H₃ → Cu⁰ + N₂⁰ + H₂O
Cu⁺² + 2e⁻ → Cu⁰ | 3 — восстановление
2N⁻³ − 6e⁻ → N₂⁰ | 1 — окисление
3CuO + 2NH₃ = 3Cu + N₂ + 3H₂O. Окислитель — CuO (Cu⁺²), восстановитель — NH₃ (N⁻³).
б) HCl⁻¹ + Mn⁺⁴O₂ → Mn⁺²Cl₂ + Cl₂⁰ + H₂O
Mn⁺⁴ + 2e⁻ → Mn⁺² | 1 — восстановление
2Cl⁻¹ − 2e⁻ → Cl₂⁰ | 1 — окисление
4HCl + MnO₂ = MnCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O (из 4 молекул HCl две идут на окисление, две остаются в соли). Окислитель — MnO₂ (Mn⁺⁴), восстановитель — HCl (Cl⁻¹).
в) Si⁰ + NaOH + H₂⁺¹O → Na₂Si⁺⁴O₃ + H₂⁰
Si⁰ − 4e⁻ → Si⁺⁴ | 1 — окисление
2H⁺¹ + 2e⁻ → H₂⁰ | 2 — восстановление
Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑. Восстановитель — Si, окислитель — H₂O (H⁺¹).
г) Cu⁰ + HN⁺⁵O₃ → Cu⁺²(NO₃)₂ + N⁺²O + H₂O
Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² | 3 — окисление
N⁺⁵ + 3e⁻ → N⁺² | 2 — восстановление
3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O (6 молекул HNO₃ образуют соль, 2 окисляют медь). Восстановитель — Cu, окислитель — HNO₃ (N⁺⁵).
Проверка баланса атомов: а) Cu 3, N 2, H 6, O 3; б) Mn 1, Cl 4, H 4, O 2; в) Si 1, Na 2, H 4, O 3; г) Cu 3, N 8, H 8, O 24 — слева и справа совпадают.
Cu⁺² + 2e⁻ → Cu⁰ | 3 — восстановление
2N⁻³ − 6e⁻ → N₂⁰ | 1 — окисление
3CuO + 2NH₃ = 3Cu + N₂ + 3H₂O. Окислитель — CuO (Cu⁺²), восстановитель — NH₃ (N⁻³).
б) HCl⁻¹ + Mn⁺⁴O₂ → Mn⁺²Cl₂ + Cl₂⁰ + H₂O
Mn⁺⁴ + 2e⁻ → Mn⁺² | 1 — восстановление
2Cl⁻¹ − 2e⁻ → Cl₂⁰ | 1 — окисление
4HCl + MnO₂ = MnCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O (из 4 молекул HCl две идут на окисление, две остаются в соли). Окислитель — MnO₂ (Mn⁺⁴), восстановитель — HCl (Cl⁻¹).
в) Si⁰ + NaOH + H₂⁺¹O → Na₂Si⁺⁴O₃ + H₂⁰
Si⁰ − 4e⁻ → Si⁺⁴ | 1 — окисление
2H⁺¹ + 2e⁻ → H₂⁰ | 2 — восстановление
Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑. Восстановитель — Si, окислитель — H₂O (H⁺¹).
г) Cu⁰ + HN⁺⁵O₃ → Cu⁺²(NO₃)₂ + N⁺²O + H₂O
Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² | 3 — окисление
N⁺⁵ + 3e⁻ → N⁺² | 2 — восстановление
3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O (6 молекул HNO₃ образуют соль, 2 окисляют медь). Восстановитель — Cu, окислитель — HNO₃ (N⁺⁵).
Проверка баланса атомов: а) Cu 3, N 2, H 6, O 3; б) Mn 1, Cl 4, H 4, O 2; в) Si 1, Na 2, H 4, O 3; г) Cu 3, N 8, H 8, O 24 — слева и справа совпадают.
§ 39. Примените свои знания.
8. Укажите коэффициент перед формулой восстановителя в уравнении окислительно-восстановительной реакции, схема которой
NH₃ + O₂ → N₂ + H₂O
NH₃ + O₂ → N₂ + H₂O
N⁻³H₃ + O₂⁰ → N₂⁰ + H₂O⁻²
2N⁻³ − 6e⁻ → N₂⁰ | 2 — окисление (восстановитель NH₃)
O₂⁰ + 4e⁻ → 2O⁻² | 3 — восстановление (окислитель O₂)
Наименьшее общее кратное чисел 6 и 4 равно 12; множители 2 и 3. Азот: 2 · 2 = 4 атома N, поэтому 4NH₃ и 2N₂; кислород: 3O₂ и 6H₂O.
Уравнение: 4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O. Проверка: N 4 = 4; H 12 = 12; O 6 = 6.
Восстановитель — аммиак NH₃, коэффициент перед ним равен 4.
2N⁻³ − 6e⁻ → N₂⁰ | 2 — окисление (восстановитель NH₃)
O₂⁰ + 4e⁻ → 2O⁻² | 3 — восстановление (окислитель O₂)
Наименьшее общее кратное чисел 6 и 4 равно 12; множители 2 и 3. Азот: 2 · 2 = 4 атома N, поэтому 4NH₃ и 2N₂; кислород: 3O₂ и 6H₂O.
Уравнение: 4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O. Проверка: N 4 = 4; H 12 = 12; O 6 = 6.
Восстановитель — аммиак NH₃, коэффициент перед ним равен 4.
§ 39. Примените свои знания.
9. В какой из реакций сера выполняет роль восстановителя, а в какой — окислителя?
а) S + Al → Al₂S₃
б) S + HNO₃ → SO₂ + NO₂ + H₂O
Составьте уравнения реакций, используя метод электронного баланса.
а) S + Al → Al₂S₃
б) S + HNO₃ → SO₂ + NO₂ + H₂O
Составьте уравнения реакций, используя метод электронного баланса.
а) Al⁰ + S⁰ → Al₂⁺³S₃⁻²
Al⁰ − 3e⁻ → Al⁺³ | 2 — окисление
S⁰ + 2e⁻ → S⁻² | 3 — восстановление
2Al + 3S = Al₂S₃ (t). Здесь сера принимает электроны, степень окисления понижается от 0 до −2: сера — окислитель, алюминий — восстановитель.
б) S⁰ + HN⁺⁵O₃ → S⁺⁴O₂ + N⁺⁴O₂ + H₂O
S⁰ − 4e⁻ → S⁺⁴ | 1 — окисление
N⁺⁵ + 1e⁻ → N⁺⁴ | 4 — восстановление
S + 4HNO₃ = SO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O. Здесь сера отдаёт электроны, степень окисления повышается от 0 до +4: сера — восстановитель, азотная кислота (N⁺⁵) — окислитель. Проверка: H 4 = 4; N 4 = 4; O 12 = 2 + 8 + 2 = 12.
Итак, в реакции а) сера — окислитель, в реакции б) — восстановитель.
Al⁰ − 3e⁻ → Al⁺³ | 2 — окисление
S⁰ + 2e⁻ → S⁻² | 3 — восстановление
2Al + 3S = Al₂S₃ (t). Здесь сера принимает электроны, степень окисления понижается от 0 до −2: сера — окислитель, алюминий — восстановитель.
б) S⁰ + HN⁺⁵O₃ → S⁺⁴O₂ + N⁺⁴O₂ + H₂O
S⁰ − 4e⁻ → S⁺⁴ | 1 — окисление
N⁺⁵ + 1e⁻ → N⁺⁴ | 4 — восстановление
S + 4HNO₃ = SO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O. Здесь сера отдаёт электроны, степень окисления повышается от 0 до +4: сера — восстановитель, азотная кислота (N⁺⁵) — окислитель. Проверка: H 4 = 4; N 4 = 4; O 12 = 2 + 8 + 2 = 12.
Итак, в реакции а) сера — окислитель, в реакции б) — восстановитель.
§ 39. Используйте дополнительную информацию.
10. Укажите формулы веществ, которые в химических реакциях могут быть только окислителями, только восстановителями, а также проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства: а) F₂; б) Ca; в) HNO₃; г) P; д) SO₂. Приведите аргументы.
Вещество может быть только окислителем, если элемент в нём находится в высшей степени окисления или не может её повысить; только восстановителем — если в низшей; и тем и другим — если в промежуточной.
Только окислители: а) F₂ — фтор самый электроотрицательный элемент, он принимает электроны (0 → −1) и не способен их отдавать; в) HNO₃ — азот в высшей степени окисления +5 (может только понижать её: до +4, +2, 0, −3).
Только восстановитель: б) Ca — металл, степень окисления 0 может только повышаться до +2 (Ca⁰ − 2e⁻ → Ca⁺²), принимать электроны атому металла не свойственно.
И окислитель, и восстановитель: г) P — фосфор в степени окисления 0 стоит между −3 и +5: с металлами он окислитель (3Ca + 2P = Ca₃P₂), с кислородом и азотной кислотой — восстановитель (4P + 5O₂ = 2P₂O₅); д) SO₂ — сера в промежуточной степени +4 (возможны −2 и +6): с H₂S окислитель (SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O), с кислородом восстановитель (2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃).
Только окислители: а) F₂ — фтор самый электроотрицательный элемент, он принимает электроны (0 → −1) и не способен их отдавать; в) HNO₃ — азот в высшей степени окисления +5 (может только понижать её: до +4, +2, 0, −3).
Только восстановитель: б) Ca — металл, степень окисления 0 может только повышаться до +2 (Ca⁰ − 2e⁻ → Ca⁺²), принимать электроны атому металла не свойственно.
И окислитель, и восстановитель: г) P — фосфор в степени окисления 0 стоит между −3 и +5: с металлами он окислитель (3Ca + 2P = Ca₃P₂), с кислородом и азотной кислотой — восстановитель (4P + 5O₂ = 2P₂O₅); д) SO₂ — сера в промежуточной степени +4 (возможны −2 и +6): с H₂S окислитель (SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O), с кислородом восстановитель (2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃).