Химия. Примеры решения задач контрольной работы

Площадь в полярных координатах http://rtb-t.ru/

Начертательная геометрия
Инженерная графика
Машиностроительное черчение
Химия
Современная теория строения атомов и молекул
Закон эквивалентов
Рассчитайте мольную массу
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
СВОЙСТВА РАСТВОРОВ
ИОННЫЕ РЕАКЦИИ ОБМЕНА
ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ
Окислительно-восстановительные реакции
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОЛИЗ
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Полимеры
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
Пример решения задачи № 2
Гидромеханические методы
Теплопередача
Расчет коэффициента теплопередачи
Классы неорганических соединений
Элементы химической термодинамики
Электролитическая диссоциация
Электролитическая диссоциация
Дисперсные системы
Растворы неэлектролитов
Степень окисления
Электрохимические процессы

ОКИСЛИТЕЛЬНО – ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

Введение

 Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) имеют большое значение в теории и практике. С ними связаны процессы: дыхание, обмен веществ, фотосинтез, гниение, горение, электролиз, коррозия металлов и др.

 ОВР называются реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ.

 Степень окисления (зарядность, окислительное число) – это условный заряд, который приобрел бы атом элемента, если предположить, что он принял или отдал то или иное число электронов.

  Повышение или понижение степени окисления атомов отражается в электронных уравнениях.

  Окислитель принимает электроны. Процесс приема электронов называется восстановлением, например:

 Mn6+ + 2e- ® Mn4+,

Мn6+ - окислитель, в процессе реакции восстанавливается до Mn4+.

 Восстановитель отдает электроны. Процесс отдачи электронов называется окислением, например:

  Zn0 – 2e- ® Zn2+,

Zn0 – восстановитель, в процессе реакции окисляется до Zn2+. 

 Степень окисления может иметь нулевое, отрицательное, положительное значения.

 При определении степени окисления следует знать несколько основных положений:

 (-2) - степень окисления атома кислорода в соединениях:

H2+O-2, Cu+2O-2 (исключение: пероксиды: H2 +O2 -1, Na2O2-1, CaO2-1; супероксиды (надперекиси): KO2-1/2, CsO2-1/2; фторид кислорода O+2F2 -).

 (-1) - степень окисления фтора в соединениях: H+F- , Са+2F2-.

 ( 0) - нулевую степень окисления имеют атомы в молекулах простых веществ и свободные металлы: H20 , O20 , Cl20 , Zn0 , Cu0 и др.

 (+1) -  степень окисления щелочных металлов (I А погруппа): Na+Cl-, K+Br- и др.

  (+2) - степень окисления щелочноземельных металлов (II А подгруппа): Сa+2Cl2- , Ba+2O-2 и др.

 Используя эти данные, можно вычислять степени окисления  других атомов в соединениях, зная, что алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, входящих в молекулу, равна нулю.

Примеры решения задач

  Пример. Вычислите степень окисления азота в молекуле азотной кислоты. Определите, окислителем или восстановителем является HNO3.

 Решение. Обозначим степень окисления азота через х. Расставим степени окисления водорода (+1) и кислорода (-2): H+NxO3-2.

 Составим уравнение, умножая степени окисления на число атомов в молекуле азотной кислоты:

 (+1) × 1 + х + (-2) × 3 = 0.

Находим х = + 5. Ответ: степень окисления азота равна +5.

НNO3  проявляет только окислительные свойства, так как азот в данном соединении имеет максимально положительную степень окисления +5 (равна номеру группы, в которой находится азот). Увеличить ее N+5 не может, отдавать оставшиеся электроны энергетически невыгодно.

 Вывод: если элемент в соединении имеет высшую степень окисления, он является только окислителем, в низшей степени – только восстановителем, в промежуточной – и окислителем, и восстановителем.

Основные типы окислительно-восстановительных реакций (ОВР)

 К межмолекулярным относятся реакции, в которых окислитель и восстановитель находятся в разных веществах. Например, в реакции алюминия с азотной кислотой:

 8 Al0 + 30 HN+5O3разб. = 8 Al+3(NO3)3 + 3 N+12O + 15 H2O

 Al – восстановитель, HNO3 – окислитель.

 К внутримолекулярным относятся реакции, в которых окислитель и восстановитель находятся в одном и том же веществе:

 2 KCl+5O3-2 = 2 KCl-1 + 3 O20

 В этой реакции атом хлора (окислитель) и атом кислорода (восстановитель) входят в состав одного и того же вещества KClO3.

 Среди внутримолекулярных реакций выделяют реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления). Атом одного и того же элемента является и окислителем и восстановителем:

 Cl20 + H2O = HCl+1O + HCl-1

В этой реакции часть атомов хлора восстанавливается, изменяя степень окисления от 0 до -1, а другая часть окисляется от 0 до +1.

 Все химические реакции протекают в соответствии с законом сохранения массы и энергии. В ходе окислительно-восстановительных реакций число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых окислителем (закон сохранения зарядности). Полные уравнения окислительно-восстановительных реакций можно составить с помощью методов: а) электронного и б) электронно-ионного балансов.

 а). Метод электронного баланса основан на сравнении степеней окисления атомов в исходных и конечных веществах. Сущность этого метода можно уяснить на следующем примере.

 Пример. Составить электронные уравнения для реакции, протекающей по схеме: 

 KMnO4 + H3PO3 + H2SO4 ® MnSO4 + H3PO4 + K2SO4 + H2O

 1). Расставляем степени окисления атомов.

 K+1Mn+7O4-2 + H3+1P +3O3-2 + H2 +1S+6O4-2 = Mn+2S+6O4-2 + H3 +1P+5O4-2 + K2 +1S+6O4-2 + H2 +1O-2 

  2). Выписываем элементы, атомы или ионы которых изменяют степени окисления, такими элементами являются Mn и P.

 3). Составляем электронные уравнения, то есть схемы изменения зарядов атомов в левой и правой частях реакции:

 P3+ - 2e- ® Р5+ ½  5, процесс окисления

 Mn7+ +5e- ® Mn2+ ½ 2, процесс восстановления

  4). Общее число электронов, которые присоединяет окислитель, должно быть равно числу электронов, которые отдает восстановитель. Общее наименьшее кратное для отданных и принятых электронов - десять. Делим число 10 на число принятых электронов марганцем и на число отданных электронов фосфором, получим коэффициенты: для марганца  - 2, а для фосфора – 5.

 5). Найденные коэффициенты 2 и 5ставим перед формулами соединений восстановителя и окислителя.

 Уравниваем количество ионов калия в правой и левой частях уравнения, подсчитываем число ионов SO42- в правой части, ставим коэффициент 3 перед формулой H2SO4 . Уравниваем число атомов водорода в правой части уравнения, ставим коэффициент 3 перед формулой H2O.

  Молекулярное уравнение реакции будет иметь вид:

 2KMnO4 + 5H3PO3 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5H3PO4 + K2SO4 + 3H2O

 6). Проводим проверку по количеству атомов кислорода. Вступило в реакцию 35 атомов кислорода. В продуктах реакции атомов кислорода 35. Следовательно, реакция записана, коэффициенты расставлены правильно.

  б). Метод электронно-ионного баланса применим к окислительно-восстановительным реакциям, протекающим в водных растворах. Он основан на составлении электронно-ионных балансов двух полуреакций: одной - для процесса окисления и другой – для процесса восстановления. Затем проводится суммирование этих полуреакций. В результате получается общее ионно-молекулярное уравнение окислительно-восстановительной реакции.

  Пример. Используя метод электронно-ионного баланса, расставим коэффициенты в уравнении реакции:

 Cu + HNO3 (конц.) ® Cu(NO3)2 + NO2 + H2O.

 Решение. Уравнение первой полуреакции – окисление восстановителя:

 Cu – 2e- ® Cu2+.

 Уравнение второй полуреакции – восстановление окислителя – составили так: ион NO3- превращается в NO2 , то есть один атом кислорода в кислой среде связывается с ионами водорода с образованием воды:

 NO3- + 2H+ ® NO2 + H2O.

 Уравняв число зарядов, получим:

 NO3- + 2H+ + e- ® NO2 + H2O.

 Составляем суммарное ионно-молекулярное уравнение:

  Cu – 2e- ® Cu2+ ½  1 

 NO3- + 2H+ + e- ® NO2 + H2O  ½ 2 

 Сu + 2NO3- + 4H+ ® Cu2+ + 2NO2 +2H2O.

 Правильность составленного уравнения проверяется по балансу числа атомов и зарядов в левой и правой частях уравнения.

 Уравнение реакции в молекулярной форме имеет вид:

 Сu + 4HNO3 (конц.) ® Cu(NO3)2 + 2NO2 +2H2O.

 Контрольные задания

 221. Определите, к какому виду окислительно-восстановительных процессов относятся следующие реакции:

  а) HCl + KMnO4 ® KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O;

  б) S + HNO3 ® H2SO4 + NO;

 в) Cu + HNO3 (разб.) ® Cu(NO3)2 + NO + H2O.

С помощью метода электронного баланса расставьте коэффициенты в этих уравнениях.

  222. Составьте электронные уравнения и расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Укажите, какое вещество является окислителем, какое – восстановителем.

  а) P + HNO3 + H2O ® H3PO4 + NO;

  б) H2S + SO2 ® S + H2O;

 в) Zn + H2SO4 (конц.) ® ZnSO4 + SO2 + H2O.

  223. Определите степени окисления всех компонентов, входящих в состав следующих соединений: H2S, S, SO2 , SO3 , H2SO4 . Какие из веществ являются только окислителями, только восстановителями, и окислителями и восстановителями? Расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

 H2S + Br2 + H2O ® H2SO4 + HBr

Укажите окислитель и восстановитель.

 224. Используя метод электронного баланса, подберите коэффициенты в уравнениях реакций:

  a) KMnO4 + H2O + K2SO3 ® K2SO4+ MnO2+ KOH;

 б) MnO2 + HCl ® MnCl2 + Cl2 + H2O.

 225. Укажите реакции, в которых азот окисляется, восстанавливается, не изменяет степени окисления.

 а) HNO2 + Cl2 + H2O ® HNO3+ HCl;

 б) С + HNO3 ® CO2 + NO + H2O;

 в) NH4NO3 + KOH ® NH4OH + KNO3.

Составьте уравнения электронного баланса, расставьте коэффициенты.

  226. Какие из приведенных реакций являются внутримолекулярными?

Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Укажите восстановитель, окислитель.

  а) KNO3 ® KNO2 + O2;

 б) Pb(NO3)2 ® PbO2 + NO + O2;

 в) KClO3 ® KCl + O2.

 227. Какие ОВР относятся к реакциям диспропорционирования? Расставьте коэффициенты в реакциях:

 а) KMnO4 ® K2MnO4 + MnO2 + O2;

 б) KClO3 ®kat KCl + KClO4 .

 228. Какие соединения и простые вещества могут проявлять только окислительные свойства? Выберите такие вещества из предложенного перечня: NH3, CO2, SO2, KMnO4, F2, HNO3. Составьте уравнение электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

 HNO3 + H2S ® H2SO4 + NO + H2O.

 229. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Укажите окислитель, восстановитель.

 а) HClO3+ H2SO3 ® HCl + H2SO4;

 б) H2S + H2SO3 ® S + H2O.

 230. Определите, к какому виду ОВР относятся следующие реакции:

  а) Cl2 + KOH ® KCl + KClO3 + H2O;

  б) K2Cr2O7 + HCl ® CrCl3 + Cl2 + H2O + KCl;

 в) S + H2SO4 (конц.) ® SO2 + H2O.

 С помощью метода электронного баланса расставьте коэффициенты в этих уравнениях.

 231. Определите, к какому типу ОВР относятся процессы, протекающие по схемам:

 а) Na2SO3 + HCl ® NaCl + SO2 + H2O;

 б) H2S + KMnO4 + H2SO4 ® S + K2SO4 + MnSO4 + H2O;

 в) Fe3O4 + H2 ® Fe + H2O.

 Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Укажите окислитель, восстановитель.

 232. Составьте электронные уравнения, укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих превращениях:

  a) S-2 ® S+4; б) Zn0 ®  Zn+2; в) N-3 ® N+5.

 Используя метод электронно-ионного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

  NaCrO2 + Br2 + NaOH ® Na2CrO4 + NaBr + H2O.

 Укажите окислитель, восстановитель.

 233. Исходя из степени окисления хрома, укажите, какие из соединений проявляют только окислительные свойства: Cr, Cr2O3, СrO3, K2Cr2O7 . Почему? Расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

 KNO2 + K2Cr2O7 + H2SO4 ® KNO3 + Cr2(SO4)3 + H2O.

 Укажите окислитель и восстановитель.

 234. Составьте электронные уравнения для реакций, протекающих по схемам:

 а) SnO + KMnO4 + HCl ® SnCl4 + MnCl2 + KCl + H2O;

 б) Si + NaOH + H2O ® Na2SiO3 + H2;

 в) Al + H2O ® Al(OH)3 + H2.

К какому виду ОВР относятся эти реакции? Расставьте коэффициенты, укажите окислитель и восстановитель.

 235. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление - происходит при следующих превращениях:

  а) Cl- ® Cl+7; б) Mn+6 ®  Mn+2; в) K0 ® K+1.

 На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

 H2S + HNO3 ® H2SO4 + NO + H2O.

 236. Какие соединения и простые вещества могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства: H2O2 , H2S, S, Cl2, KNO3 ? Почему?

 С помощью метода электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

 Al + HNO3 (конц.) ® Al(NO3)3 + NO2 + H2O.

 237. Определите, к какому виду ОВР относятся следующие реакции: 

 а) НJ + H2 SO4 ® J2 + H2S + H2O;

 б) KMnO4 + H2O + Na2S ® S + MnO2 + KOH +NaOH;

 в) HNO3 ® NO2 + H2O +O2

 С помощью метода электронного баланса подберите коэффициенты в этих уравнениях.

 238. Реакции выражаются схемами:

 а) P + KClO3 ® P2O5 + KCl;

 б) MnO2 + HCl ® Cl2 + MnCl 2 + H2O;

 в) H2S + O2 ® SO2 + H2O.

 Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты. Укажите окислитель, восстановитель.

 239. Определите степени окисления всех элементов, входящих в соединения: F2, Cu, HCl, H2S, KCl, KNO2. Какие из перечисленных веществ проявляют только восстановительные свойства? Расставьте коэффициенты в уравнении реакции, укажите окислитель, восстановитель.

 KBr + KBrO3 + H2SO4 ® Br2 + K2SO4 + H2O.

 240. Определите, к какому типу ОВР относятся процессы, протекающие по схемам:

 а) H2S + KMnO4 + H2SO4 ® S + K2SO4 + MnSO4 + H2O;

 б) KJ + Cl2 ® KCl + J2;

 в) Сu + H2SO4 (конц.) ® СuSO4 + SO2 + H2O

 Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите окислитель, восстановитель.

Химия. Примеры решения задач контрольной работы