Окислительно–восстановительные процессы

Окислительно–восстановительные реакции (ОВР) – реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов. Степень окисления (окислительное число) – заряд атома, вычисленный исходя из условного предположения, что все связи в молекуле являются ионными.

При определении степени окисления необходимо учитывать, что алгебраическая сумма окислительных чисел всех атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю. Например, необходимо определить окислительные числа кремния и фосфора в соединениях H₂SiO₃ и K₄P₂O₇:

H2+1SixO3–2	K4+1P2xO7–2
+2+Х+(–2*3)=0	+4+2Х+(–2*7)=0
Х=4	Х=5

Степень окисления обозначается арабскими (иногда римскими) цифрами с предшествующими знаками ²+² или ²–². Таким же образом, но со знаком после цифры, обозначаются заряды ионов.

Например:

Na+, Zn2+, Fe3+, NO3–, SO42–, PO43–	(обозначение заряда ионов)
Zn+2Cl2–, H2+1S+6O4–2, K2+1Cr2+6O7–2	(обозначение степени окисления)

Окисление – процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом:

2Cl– – 2ē = Cl2;

Fe2+ – ē = Fe3+;

Si – 4ē = Si+4

При этом степень окисления атома повышается.

Восстановление – процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом:

Cl20 + 2ē = 2Cl–;

Fe3+ + ē = Fe2+.

При этом степень окисления атома понижается.

Окисление и восстановление – процессы сопряженные: отдача электронов всегда сопровождается их присоединением

В реакциях число принятых окислителем и отданных восстановителем электронов должно быть одинаково.

В методе ионно–электронного баланса учитывается, что отдают и принимают электроны ионы или молекулы. При этом может изменяться не только заряд, но и состав частиц.

Например, переходы

NO2– ® NO3–;	MnO4– ® MnO2
SO32– ® SO42–;	P ® PH3	и т.п.

сопровождаются потерей или присоединением атомов кислорода или водорода.

Такие взаимные переходы возможны только с участием частиц среды, присутствующих в растворах: в кислой среде – Н⁺ и Н₂О, в нейтральной – Н₂О, в щелочной – ОН^– и Н₂О.

Участие частиц среды в переносе кислорода в ОВР.

рН среды	Акцептор кислорода	Донор кислорода	Схема процесса
рН < 7	Н+	Н2О	2Н+		Н2О
рН > 7	Н2О	ОН–	2О Н–		Н2О
рН = 7	Н2О	Н2О	Н2О		2ОН–
Н2О		2Н+

Рассмотрим пример реакции, протекающей в кислой среде.

Даны исходные вещества:

KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂SO₄ ®

1. Определяем степени окисления элементов, находим окислитель, восстановитель и рН среды:

KMn⁺⁷O₄ – окислитель (Mn находится в высшей степени окисления +7),

Na₂S⁺⁴O₃ – восстановитель (S находится в промежуточной степени окисления, равной +4),

H₂SO₄ – среда кислая (рН<7).

2. Записываем левую часть уравнения в виде ионов, учитывая только ионы, содержащие окислитель и восстановитель, а также ионы, обеспечивающие реакцию среды:

MnO₄^– + SO₃^2– + H⁺ ®

3. Записываем схему возможных полуреакций для процессов окисления и восстановления:

MnO4– ® Mn2+	(процесс восстановления)
SO32– ® SO42–	(процесс окисления)

4. Составляем полуреакции:

а) уравниваем число атомов элементов и заряды левой и правой частей полуреакций, используя частицы среды и переходы электронов:

MnO₄^– + 8H⁺ + 5ē = Mn²⁺ + 4H₂O

SO₃^2– + H₂O – 2ē = SO₄^2– + 2H⁺

в) находим коэффициенты:

	MnO4– + 8H+ + 5ē = Mn2+ + 4H2O
	SO32– + H2O – 2ē = SO42– + 2H+

5. Суммируем две полуреакции с учетом коэффициентов и получаем сокращенное ионное уравнение:

2MnO₄^– + 16H ⁺ + 5SO₃^2– + 5H₂O = 2Mn²⁺ + 8H₂O + 5SO₄^2– + 10H ⁺

Сокращаем подобные члены:

2MnO₄^– + 6H⁺ + 5SO₃^2– = 2Mn²⁺ + 3H₂O + 5SO₄^2–

6. Дописываем ионы, не принимающие участие в окислительно–восстановительном процессе, с учетом компенсации заряда:

7. Составляем молекулярное уравнение реакции:

2KMnO₄ + 3H₂SO₄ + 5Na₂SO₃ = 2MnSO₄ + 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

В качестве примеров рассмотрим еще две реакции, протекающие в нейтральной и щелочной средах.

Реакция взаимодействия манганата калия с водой (нейтральная среда):

K₂MnO₄ + H₂O ® KMnO₄ + MnO₂ + KOH

Ион MnO₄^2–, содержащий Мn⁺⁶ в промежуточной степени окисления, может выполнять как функцию окислителя, так и функцию восстановителя.

Молекулярное уравнение реакции:

3K₂MnO₄ + 2H₂O = 2KMnO₄ + MnO₂ + 4KOH

Реакция взаимодействия кремния с пероксидом водорода в щелочной среде:

Si + H₂O₂ + KOH ® K₂SiO₃ + H₂O

Молекулярное уравнение реакции:

Si + 2KOH + 2H₂O₂ = K₂SiO₃ + 3H₂O