Электрохимические процессы

Цель раздела: формирование основных понятий об электрохимических процессах, о законах электрохимии и их связью с другими общетехническими дисциплинами, развитие представлений об электрохимических процессах, связанных с будущей профессиональной деятельностью.

Окислительно-восстановительные реакции

Химические реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными.

Вещества, отдающие свои электроны в процессе реакции, называются восстановителями. Они во время реакции окисляются. Вещества, присоединяющие электроны, называются окислителями. Во время реакции они восстанавливаются. Таким образом, восстановление – это процесс присоединения электронов, а окисление – отдача электронов. Эти процессы взаимосвязаны, поэтому общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно общему числу электронов, принятых окислителем.

 Окислительно-восстановительные функции атомов различных элементов определяются их положением в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Роль окислителей могут выполнять как простые, так и сложные вещества.

Степень окисления – это условное понятие, которое показывает величину заряда атома элемента при условии, что все связи в соединении - ионные. Количественно степень окисления характеризуется числом электронов, смещенных от атома или присоединенных к нему. Степень окисления может быть положительная, отрицательная или равная нулю.

Для определения степени окисления атомов необходимо руководствоваться следующими положениями:

1. Степень окисления атомов в соединениях с неполярными связями равна нулю (H₂⁰, Cl₂⁰, N₂⁰). Степень окисления металлов в элементарном состоянии вследствие равномерного распределения электронной плотности также равна нулю (Na, Fe, Al).

2. Фтор в соединениях всегда проявляет степень окисления равную –1 (KF^–1, CaF^–1₂).

3. Кислород в соединениях имеет, главным образом, степень окисления –2 (СаО^–2, Н₂О^–2).

4. Водород в большинстве соединений проявляет постоянную степень окисления +1 (H⁺¹Cl^–1, H₂⁺¹O).

5. Металлы в соединениях имеют положительную степень окисления, численно совпадающую с их валентностью (Mg⁺²O, Al⁺³Cl₃).

6. Степень окисления элементов в ионных соединениях равна электрическому заряду иона (Na⁺¹Cl^–1, Cu⁺²(NO₃)₂^–1).

7. Сумма степеней окисления элементов в электронейтральных молекулах равна нулю. Это позволяет определить степень окисления элементов в любых соединениях (N^-3H₃⁺¹, K⁺¹Mn⁺⁷O₄^–2).

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций

Чтобы составить уравнение окислительно-восстановительной реакции, необходимо, прежде всего, определить окислитель и восстановитель в реакции, а также значение степеней окисления тех элементов, у которых они изменяются в процессе реакции. Число электронов, отдаваемых восстановителем и принимаемых окислителем, определяется изменением степени окисления атомов до и после реакции. В основном, применяют два метода составления уравнений окислительно-восстановительных реакций: метод электронного баланса и ионно-электронный метод.

 Метод электронного баланса - метод нахождения коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций, в котором рассматривается обмен электронами между атомами элементов, изменяющих свою степень окисления. Число электронов, отданное восстановителем равно числу электронов, получаемых окислителем.

Уравнение составляется в несколько стадий:

1. Записывают схему реакции.

KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂­ + H₂O

2. Проставляют степени окисления над знаками элементов, которые меняются.

KMn⁺⁷O₄ + HCl^–1 → KCl + Mn⁺²Cl₂ + Cl₂⁰­ + H₂O

3. Выделяют элементы, изменяющие степени окисления и определяют число электронов, приобретенных окислителем и отдаваемых восстановителем.

Mn⁺⁷ + 5ē → Mn⁺²

2Cl^–1 – 2ē → Cl₂⁰

4. Уравнивают число приобретенных и отдаваемых электронов, устанавливая тем самым коэффициенты для соединений, в которых

Mn+7 + 5ē = Mn+2	2
2Cl–1 – 2ē = Cl20	5

2Mn⁺⁷ + 10Cl^–1 → 2Mn⁺² + 5Cl₂⁰

5. Подбирают коэффициенты для всех остальных участников реакции.

2KMn⁺⁷O₄ + 16HCl^–1 = 2KCl + 2Mn⁺²Cl₂ + 5Cl₂⁰ + 8H₂O

 

Окислительно-восстановительные реакции можно разделить на три группы.

1. Реакции межмолекулярного окисления - восстановления – это реакции, в которых окислитель и восстановитель разные вещества, например,

2CrCl₃+ 3Br₂ +16KOH → 2K₂CrO₄ + 6KCl + 6KBr + 8H₂O

2│Cr⁺³ –3ē = Cr⁺⁶ (окисление)

3│Br₂⁰ +2ē =2Br ^–1 (восстановление)

2. Реакции самоокисления - самовосстановления (реакции диспропорционирования) – это реакции, в которых молекулы одного и того же вещества реагируют друг с другом как окислитель и восстановитель, так как содержат атомы элементов в промежуточной степени окисления и могут принимать и отдавать электроны.

Например,

3HNO₂ → HNO₃ + 2NO+ H₂O

1│N⁺³ -– 2ē = N⁺⁵ (окисление)

2│N⁺³ +ē =N⁺²  (восстановление)

3. Реакции внутримолекулярного окисления- восстановления - это реакции, в которых переход электронов осуществляется внутри одной и той же молекулы.

2KClO₃ → 2KCl +3O₂

2 4│Cl⁺⁵ +6ē = Cl^–1  (восстановление)

3 6│ 2O^–2 – 4ē = O₂ ⁰ (окисление)