Co odpowiedzieć osobie zainteresowanej rozwiązaniem reakcji redoks? Są nierozwiązywalne. Jednak jak każdy inny. Chemicy na ogół nie rozwiązują reakcji ani ich równań. W przypadku reakcji utleniania i redukcji (ORR) można utworzyć równanie i umieścić w nim współczynniki. Przyjrzyjmy się, jak to zrobić.
Utleniacz i reduktor
Reakcja redoks to reakcja, w której zmieniają się stopnie utlenienia reagentów. Dzieje się tak, ponieważ jedna z cząstek oddaje swoje elektrony (nazywa się to czynnikiem redukującym), a druga je przyjmuje (utleniaczem).
Środek redukujący, tracąc elektrony, utlenia się, czyli zwiększa wartość stopnia utlenienia. Na przykład wpis: 
oznacza, że cynk oddał 2 elektrony, czyli uległ utlenieniu. Jest restauratorem. Stopień utlenienia, jak widać z powyższego przykładu, wzrósł. 
– tutaj siarka przyjmuje elektrony, czyli ulega redukcji. Jest środkiem utleniającym. Zmniejszył się jego stopień utlenienia.
Ktoś może się zastanawiać, dlaczego po dodaniu elektronów stopień utlenienia maleje, a gdy je tracą, wręcz przeciwnie, wzrasta? Wszystko jest logiczne. Elektron to cząstka o ładunku -1, dlatego z matematycznego punktu widzenia zapis należy czytać następująco: 0 – (-1) = +1, gdzie (-1) to elektron. Oznacza to wtedy: 0 + (-2) = -2, gdzie (-2) to dwa elektrony, które przyjął atom siarki.
Rozważmy teraz reakcję, w której zachodzą oba procesy:
Sód reaguje z siarką tworząc siarczek sodu. Atomy sodu utleniają się, oddając po jednym elektronie, podczas gdy atomy siarki ulegają redukcji, zyskując dwa. Może to jednak mieć miejsce tylko na papierze. Tak naprawdę utleniacz musi dodać do siebie dokładnie tyle elektronów, ile dał im środek redukujący. W naturze równowaga utrzymuje się we wszystkim, łącznie z procesami redoks. Pokażmy wagę elektronową tej reakcji:
Całkowita wielokrotność liczby elektronów oddanych i odebranych wynosi 2. Dzieląc ją przez liczbę elektronów oddanych przez sód (2:1=1) i siarkę (2:2=1) otrzymujemy współczynniki w tym równaniu. Oznacza to, że po prawej i lewej stronie równania powinien znajdować się po jednym atomie siarki (wartość uzyskana poprzez podzielenie wspólnej wielokrotności przez liczbę elektronów przyjętych przez siarkę) i dwa atomy sodu. Na pisanym schemacie po lewej stronie jest jeszcze tylko jeden atom sodu. Podwoimy to, dodając współczynnik 2 przed wzorem na sód. Prawa strona atomów sodu zawiera już 2 (Na2S).
Zestawiliśmy równanie najprostszej reakcji redoks i umieściliśmy w nim współczynniki, korzystając z metody wagi elektronicznej.
Przyjrzyjmy się, jak „rozwiązać” bardziej złożone reakcje redoks. Na przykład, gdy stężony kwas siarkowy reaguje z tym samym sodem, powstaje siarkowodór, siarczan sodu i woda. Zapiszmy schemat:
Określmy stopnie utlenienia atomów wszystkich pierwiastków:
Zmieniona sztuka. tylko sód i siarka. Zapiszmy półreakcje utleniania i redukcji:
Znajdźmy najmniejszą wspólną wielokrotność między 1 (ile elektronów oddał sód) a 8 (liczba ładunków ujemnych przyjętych przez siarkę), podzielmy ją przez 1, a następnie przez 8. Wynikiem będzie liczba atomów Na i S w obu prawy i lewy.
Zapiszmy je w równaniu:
Nie stawiamy jeszcze współczynników z bilansu przed wzorem kwasu siarkowego. Liczymy inne metale, jeśli występują, następnie reszty kwasowe, następnie H i na koniec sprawdzamy obecność tlenu.
W tym równaniu po prawej i lewej stronie powinno znajdować się 8 atomów sodu, a reszty kwasu siarkowego stosuje się dwukrotnie. Spośród nich 4 tworzą sole (część Na2SO4), a jeden zamienia się w H2S, co oznacza, że łącznie należy zużyć 5 atomów siarki. Przed wzorem kwasu siarkowego stawiamy liczbę 5.
Sprawdzamy H: po lewej stronie jest 5×2=10 atomów H, po prawej tylko 4, co oznacza, że przed wodą stawiamy współczynnik 4 (nie można go postawić przed siarkowodorem, gdyż z bilansu wynika, że po prawej i lewej stronie powinna znajdować się 1 cząsteczka H2S. Sprawdzamy obecność tlenu. Po lewej stronie jest 20 atomów O, po prawej 4x4 z kwasu siarkowego i kolejne 4 z wody. Wszystko się zgadza, co oznacza, że czynności zostały wykonane poprawnie.
Jest to jeden z rodzajów aktywności, który może mieć na myśli ktoś, kto pyta, jak rozwiązać reakcje redoks. Jeżeli to pytanie oznaczało „dokończ równanie ORR” lub „dodaj produkty reakcji”, to do wykonania takiego zadania nie wystarczy umiejętność sporządzenia wagi elektronicznej. W niektórych przypadkach trzeba wiedzieć, czym są produkty utleniania/redukcji, jak wpływa na nie kwasowość środowiska i różne czynniki, co zostanie omówione w innych artykułach.
Reakcje redoks - wideo
Całą różnorodność reakcji chemicznych można sprowadzić do dwóch typów. Jeżeli w wyniku reakcji stopnie utlenienia pierwiastków nie ulegają zmianie, wówczas takie reakcje nazywa się giełda, W przeciwnym razie - redoks reakcje.
Zachodzenie reakcji chemicznych wynika z wymiany cząstek pomiędzy reagującymi substancjami. Przykładowo w reakcji zobojętniania następuje wymiana pomiędzy kationami i anionami kwasu i zasady, w wyniku czego powstaje słaby elektrolit – woda:
Często wymianie towarzyszy przeniesienie elektronów z jednej cząstki na drugą. Tak więc, gdy cynk zastępuje miedź w roztworze siarczanu miedzi (II).
elektrony z atomów cynku trafiają do jonów miedzi:
Proces utraty elektronów przez cząstkę nazywa się utlenianie, a proces pozyskiwania elektronów jest przywrócenie. Utlenianie i redukcja zachodzą jednocześnie, dlatego nazywa się interakcje, którym towarzyszy przeniesienie elektronów z jednej cząstki na drugą reakcje redoks.
Transfer elektronów może być niekompletny. Na przykład w reakcji
Zamiast niskopolarnych wiązań C-H pojawiają się wysoce polarne wiązania H-Cl. Dla wygody zapisu reakcji redoks stosuje się pojęcie stopnia utlenienia, które charakteryzuje stan pierwiastka w związku chemicznym i jego zachowanie w reakcjach.
Stan utlenienia- wartość liczbowa równa ładunkowi formalnemu, jaki można przypisać pierwiastkowi, w oparciu o założenie, że wszystkie elektrony z każdego z jego wiązań przeniosły się na bardziej elektroujemny atom danego związku.
Korzystając z pojęcia stopnia utlenienia, możemy podać bardziej ogólną definicję procesów utleniania i redukcji. Redoks nazywane są reakcjami chemicznymi, którym towarzyszy zmiana stopnia utlenienia pierwiastków substancji biorących udział w reakcji. Podczas redukcji stopień utlenienia pierwiastka maleje, podczas utleniania wzrasta. Substancja zawierająca pierwiastek zmniejszający jej stopień utlenienia nazywa się Środek utleniający; nazywa się substancję zawierającą pierwiastek zwiększający stopień utlenienia Środek redukujący.
Stopień utlenienia pierwiastka w związku określa się według następujących zasad:
· stopień utlenienia pierwiastka w substancji prostej wynosi zero;
· suma algebraiczna wszystkich stopni utlenienia atomów w cząsteczce jest równa zeru;
· algebraiczna suma wszystkich stopni utlenienia atomów w jonie złożonym, a także stopień utlenienia pierwiastka w prostym jonie jednoatomowym jest równy ładunkowi jonu;
· ujemny stopień utlenienia wykazują w związku atomy pierwiastka o najwyższej elektroujemności;
· maksymalny możliwy (dodatni) stopień utlenienia pierwiastka odpowiada numerowi grupy, w której znajduje się pierwiastek w układzie okresowym D.I. Mendelejew.
Stopień utlenienia atomów pierwiastków w związku zapisuje się nad symbolem danego pierwiastka, wskazując najpierw znak stopnia utlenienia, a następnie np. jego wartość liczbową.
Wiele pierwiastków w związkach wykazuje stały stopień utlenienia, który służy do określania stopni utlenienia innych pierwiastków:
Właściwości redoks atomów różnych pierwiastków objawiają się w zależności od wielu czynników, z których najważniejsze to budowa elektronowa pierwiastka, jego stopień utlenienia w substancji oraz charakter właściwości innych uczestników reakcji. Na przykład związki zawierające atomy pierwiastków o maksymalnym (dodatnim) stopniu utlenienia można jedynie redukować, działając jako środki utleniające. Związki zawierające pierwiastki o minimalnych stopniach utlenienia, np. 
mogą jedynie utleniać i działać jako czynniki redukujące.
Substancje zawierające pierwiastki o pośrednich stopniach utlenienia, np. 
Posiadać dualizm redoks. W zależności od partnera reakcji, substancje te są zdolne zarówno do przyjmowania (w przypadku oddziaływania z silniejszymi środkami redukującymi), jak i oddawania (w przypadku oddziaływania z silniejszymi środkami utleniającymi) elektrony.
Skład produktów redukcji i utleniania zależy również od wielu czynników, m.in. od środowiska, w którym zachodzi reakcja chemiczna, stężenia odczynników oraz aktywności partnera w procesie redoks.
Aby zapisać równanie reakcji redoks, należy wiedzieć, jak zmieniają się stopnie utlenienia pierwiastków oraz do jakich innych stanów przechodzi utleniacz i reduktor. Przyjrzyjmy się krótkiej charakterystyce najczęściej stosowanych środków utleniających i redukujących.
Najważniejsze utleniacze. Wśród substancji prostych właściwości utleniające są typowe dla typowych niemetali: fluoru F 2, chloru Cl 2, bromu Br 2, jodu I 2, tlenu O 2.
Halogeny po redukcji uzyskują stopień utlenienia -1, a od fluoru do jodu ich właściwości utleniające słabną (F 2 ma ograniczone zastosowanie ze względu na wysoką agresywność):
Tlen po redukcji uzyskuje stopień utlenienia -2:
Do najważniejszych utleniaczy wśród kwasów zawierających tlen i ich soli zalicza się kwas azotowy HNO 3 i jego sole, stężony kwas siarkowy H 2 SO 4, kwasy halogenowe zawierające tlen HHalO x i ich sole, nadmanganian potasu KMnO 4 i dichromian potasu K 2 Cr2O7.
Kwas azotowy wykazuje właściwości utleniające dzięki azotowi na stopniu utlenienia +5. W takim przypadku możliwe jest tworzenie różnych produktów redukcji:
Głębokość redukcji azotu zależy od stężenia kwasu, a także od aktywności reduktora, określonej przez jego potencjał redoks:
Ryc.1. Głębokość redukcji azotu w zależności od stężenia kwasu.
Na przykład utlenianiu cynku (aktywnego metalu) kwasem azotowym towarzyszy powstawanie różnych produktów redukcji; przy stężeniu HNO 3 około 2% (wag.) powstaje głównie NH 4 NO 3:
przy stężeniu HNO 3 około 5% (wag.) – N 2 O:
przy stężeniu HNO 3 około 30% (wag.) – NIE:
a przy stężeniu HNO3 wynoszącym około 60% (wag.) powstaje głównie NO2:
Aktywność oksydacyjna kwasu azotowego wzrasta wraz ze wzrostem stężenia, dlatego stężony HNO 3 utlenia nie tylko metale aktywne, ale i lekko aktywne, takie jak miedź i srebro, tworząc głównie tlenek azotu (IV):
a także niemetale, takie jak siarka i fosfor, utleniając je do kwasów odpowiadających wyższym stopniom utlenienia:
Sole kwasu azotowego ( azotany) można redukować w kwasach, podczas interakcji z aktywnymi metalami i w mediach alkalicznych, a także w stopach:
Woda królewska– mieszanina stężonego kwasu azotowego, zmieszana w stosunku objętościowym 1:3. Nazwa tej mieszaniny wynika z faktu, że rozpuszcza ona nawet takie metale szlachetne jak złoto i platyna:
Zajście tej reakcji wynika z faktu, że woda królewska uwalnia chlorek nitrozylu NOCl i wolny chlor Cl2:
pod wpływem którego metale zamieniają się w chlorki.
Kwas Siarkowy wykazuje właściwości utleniające w stężonym roztworze dzięki siarki na stopniu utlenienia +6:
Skład produktów redukcji zależy głównie od aktywności środka redukującego i stężenia kwasu:
Ryc.2. Zmniejszanie aktywności siarki w zależności od
stężenie kwasu.
Zatem oddziaływanie stężonego H 2 SO 4 z metalami o niskiej aktywności, niektórymi niemetalami i ich związkami prowadzi do powstania tlenku siarki (IV):
Metale aktywne redukują stężony kwas siarkowy do siarki lub siarkowodoru:
w tym przypadku H2S, S i SO2 powstają jednocześnie w różnych proporcjach. Jednak w tym przypadku głównym produktem redukcji H 2 SO 4 jest SO 2, ponieważ uwolnione S i H 2 S można utlenić stężonym kwasem siarkowym:
i ich sole (patrz tabela A.1.1) są często stosowane jako środki utleniające, chociaż wiele z nich ma podwójny charakter. Z reguły produktami redukcji tych związków są chlorki i bromki (stopień utlenienia -1) oraz jod (stopień utlenienia 0);
Jednak nawet w tym przypadku skład produktów redukcji zależy od warunków reakcji, stężenia utleniacza i aktywności środka redukującego:
Nadmanganian potasu wykazuje właściwości utleniające dzięki manganu na stopniu utlenienia +7. W zależności od środowiska, w którym zachodzi reakcja, ulega ona redukcji do różnych produktów: w środowisku kwaśnym – do soli manganu(II), w środowisku obojętnym – do tlenku manganu(IV) w postaci uwodnionej MnO(O) 2 , w środowisku zasadowym - do manganianu -i ona
kwaśne środowisko
neutralne środowisko
środowisko alkaliczne
Dwuchromian potasu, którego cząsteczka zawiera chrom na stopniu utlenienia +6, jest silnym utleniaczem podczas spiekania oraz w roztworze kwaśnym
wykazuje właściwości utleniające w środowisku obojętnym
W środowisku zasadowym równowaga między jonami chromianowymi i dichromianowymi
przesuwa się w kierunku formowania, dlatego w środowisku zasadowym jest środkiem utleniającym chromian potasu K2CrO4:
jednakże K2CrO4 jest słabszym środkiem utleniającym w porównaniu do K2Cr2O7.
Spośród jonów właściwości utleniające wykazują jon wodoru H+ oraz jony metali na najwyższym stopniu utlenienia. Jon wodorowy H + działa jako środek utleniający, gdy metale aktywne oddziałują z rozcieńczonymi roztworami kwasów (z wyjątkiem HNO 3)
Jony metali na stosunkowo wysokim stopniu utlenienia, np. Fe 3+, Cu 2+, Hg 2+, ulegają redukcji zamieniając się w jony o niższym stopniu utlenienia
lub są izolowane z roztworów ich soli w postaci metali
Najważniejsze środki redukujące. Do typowych środków redukujących wśród substancji prostych zaliczają się metale aktywne, takie jak metale alkaliczne i ziem alkalicznych, cynk, aluminium, żelazo i inne, a także niektóre niemetale (wodór, węgiel, fosfor, krzem).
Metale w środowisku kwaśnym utleniają się do dodatnio naładowanych jonów:
W środowisku zasadowym utleniają się metale wykazujące właściwości amfoteryczne; w tym przypadku powstają ujemnie naładowane aniony lub hydroksyskładniki:
Niemetale, utleniające, tworzą tlenki lub odpowiednie kwasy:
Funkcje redukujące posiadają aniony beztlenowe, np. Cl -, Br -, I -, S 2-, H - oraz kationy metali na najwyższym stopniu utlenienia.
Z rzędu jony halogenkowe, które po utlenieniu zwykle tworzą halogeny:
właściwości redukujące zwiększają się od Cl - do I - .
Wodorki metale wykazują właściwości redukujące w wyniku utleniania związanego wodoru (stopień utlenienia -1) do wolnego wodoru:
Kationy metali na najniższym stopniu utlenienia, takim jak Sn 2+, Fe 2+, Cu +, Hg 2 2+ i inne, przy oddziaływaniu z utleniaczami stopień utlenienia wzrasta:
Dualizm redoks. Wśród substancji prostych dualizm redoks jest charakterystyczny dla podgrup pierwiastków VIIA, VIA i VA, które mogą zwiększać lub zmniejszać swój stopień utlenienia.
Często stosowany jako środek utleniający halogeny pod wpływem silniejszych utleniaczy wykazują właściwości redukujące (z wyjątkiem fluoru). Zmniejszają się ich zdolności utleniające, a właściwości redukujące rosną z Cl 2 do I 2:
Ryc.3. Zdolność redoks halogenów.
Cechę tę ilustruje reakcja utleniania jodu chlorem w roztworze wodnym:
Skład związków zawierających tlen, które wykazują podwójne zachowanie w reakcjach redoks, obejmuje także pierwiastki na pośrednim stopniu utlenienia. Kwasy halogenowe zawierające tlen i ich sole, których cząsteczki zawierają halogen na pośrednim stopniu utlenienia, mogą działać jako środki utleniające
i środki redukujące
Nadtlenek wodoru, zawierający tlen na stopniu utlenienia -1, w obecności typowych środków redukujących wykazuje właściwości utleniające, ponieważ stopień utlenienia tlenu może spaść do -2:
Tę ostatnią reakcję wykorzystuje się do renowacji obrazów dawnych mistrzów, których farby zawierające biel ołowiową stają się czarne w wyniku interakcji z siarkowodorem zawartym w powietrzu.
Podczas interakcji z silnymi utleniaczami stopień utlenienia tlenu zawartego w nadtlenku wodoru wzrasta do 0, H 2 O 2 wykazuje właściwości środka redukującego:
Kwas azotowy I azotyny, które zawierają azot na stopniu utlenienia +3 i mogą również działać jako środki utleniające
jak również w roli konserwatorów
Klasyfikacja. Istnieją cztery rodzaje reakcji redoks.
1. Jeżeli utleniacz i reduktor są różnymi substancjami, wówczas takie reakcje należą do międzycząsteczkowy. Wszystkie reakcje omówione wcześniej są przykładami.
2. Podczas rozkładu termicznego związków złożonych, w skład których wchodzi utleniacz i reduktor w postaci atomów różnych pierwiastków, zachodzą reakcje redoks, tzw. wewnątrzcząsteczkowy:
3. Reakcje dysproporcja (dysmutacja lub według przestarzałej terminologii samoutlenianie - samonaprawa) może nastąpić, jeśli związki zawierające pierwiastki na pośrednich stopniach utlenienia zostaną wystawione na działanie warunków, w których są niestabilne (na przykład w podwyższonych temperaturach). Stopień utlenienia tego pierwiastka zarówno wzrasta, jak i maleje:
4. Reakcje przeciwproporcjonalność (przełączanie) to procesy oddziaływania środka utleniającego i reduktora, które obejmują ten sam pierwiastek o różnych stopniach utlenienia. W rezultacie produktem utleniania i redukcji jest substancja o pośrednim stopniu utlenienia atomów danego pierwiastka:
Są też mieszane reakcje. Na przykład wewnątrzcząsteczkowa reakcja przeciwproporcjonowania obejmuje reakcję rozkładu azotanu amonu
Układanie równań.
Równania reakcji redoks zestawiono w oparciu o zasadę równości liczby tych samych atomów przed i po reakcji, a także biorąc pod uwagę równość liczby elektronów oddanych przez reduktor i liczbę elektronów przyjętych przez środek utleniający, tj. neutralność elektryczna cząsteczek. Reakcja jest reprezentowana jako układ dwóch półreakcji - utleniania i redukcji, których sumowanie, biorąc pod uwagę wskazane zasady, prowadzi do zestawienia ogólnego równania procesu.
Do zestawiania równań reakcji redoks najczęściej stosuje się metodę półreakcji elektron-jon oraz metodę równowagi elektronowej.
Metoda półreakcji elektron-jon służy do sporządzania równań reakcji zachodzących w roztworze wodnym, a także reakcji z udziałem substancji, których stopień utlenienia pierwiastków jest trudny do określenia (np. KNCS, CH 3 CH 2 OH).
Zgodnie z tą metodą wyróżnia się następujące główne etapy tworzenia równania reakcji.
a) zapisz ogólny schemat molekularny procesu, wskazując reduktor, utleniacz oraz środowisko, w którym zachodzi reakcja (kwaśny, obojętny lub zasadowy). Na przykład
b) biorąc pod uwagę dysocjację elektrolitów w roztworze wodnym, schemat ten przedstawiono w postaci oddziaływania molekularno-jonowego. Jony, których stopnie utlenienia atomów się nie zmieniają, nie są wskazane na schemacie, z wyjątkiem jonów środowiskowych (H +, OH -):
c) określić stopnie utlenienia środka redukującego i utleniacza, a także produkty ich oddziaływania:
f) dodaj jony, które nie brały udziału w procesie utleniania-redukcji, wyrównaj ich ilości po lewej i prawej stronie i zapisz równanie molekularne reakcji
Największe trudności pojawiają się przy sporządzaniu bilansu materiałowego dla połówkowych reakcji utleniania i redukcji, gdy zmienia się liczba atomów tlenu tworzących cząstki utleniacza i reduktora. Należy wziąć pod uwagę, że w roztworach wodnych wiązanie lub dodanie tlenu następuje przy udziale cząsteczek wody i jonów ośrodka.
Podczas procesu utleniania, na jeden atom tlenu, który przyłącza się do cząstki środka redukującego, w środowisku kwaśnym i obojętnym, zużywana jest jedna cząsteczka wody i powstają dwa jony H+; w środowisku zasadowym zużywają się dwa jony wodorotlenkowe OH - i powstaje jedna cząsteczka wody (tabela 1.1).
Aby związać jeden atom tlenu utleniacza w środowisku kwaśnym, podczas procesu redukcji zużywane są dwa jony H + i powstaje jedna cząsteczka wody; w środowiskach obojętnych i zasadowych zużywana jest jedna cząsteczka H 2 O i powstają dwa jony OH - (tabele 1, 2).
Tabela 1
Dodanie atomów tlenu do środka redukującego podczas utleniania
Tabela 2
Wiązanie atomów tlenu utleniacza podczas procesu redukcji
Zaletą metody półreakcji elektronowo-jonowych jest to, że przy układaniu równań reakcji redoks uwzględnia się rzeczywisty stan cząstek w roztworze oraz rolę środowiska w przebiegu procesów, nie ma potrzeby stosowania formalna koncepcja stopnia utlenienia.
Metoda wagi elektronicznej, opierający się na uwzględnieniu zmian stopnia utlenienia i zasadzie obojętności elektrycznej cząsteczki, jest uniwersalny. Zwykle stosuje się go do konstruowania równań reakcji redoks zachodzących między gazami, ciałami stałymi i stopami.
Kolejność operacji, zgodnie z metodą, jest następująca:
1) zapisać wzory odczynników i produktów reakcji w postaci molekularnej:
2) określić stopień utlenienia atomów, które zmieniają go podczas reakcji:
3) na podstawie zmiany stopni utlenienia określa się liczbę elektronów oddanych przez środek redukujący i liczbę elektronów przyjętych przez utleniacz oraz sporządza się wagę elektroniczną, uwzględniając zasadę równości liczba elektronów oddanych i odebranych:
4) współczynniki równowagi elektronicznej wpisuje się do równania reakcji redoks jako główne współczynniki stechiometryczne:
5) wybierz współczynniki stechiometryczne pozostałych uczestników reakcji:
Przy układaniu równań należy wziąć pod uwagę, że utleniacz (lub reduktor) może zostać zużyty nie tylko w głównej reakcji redoks, ale także podczas wiązania powstałych produktów reakcji, czyli może pełnić rolę ośrodka i substancja tworząca sól.
Przykładem, gdy rolę ośrodka pełni utleniacz, jest reakcja utleniania metalu w kwasie azotowym, składająca się z metody półreakcji elektronowo-jonowych:
Przykładem, gdy środkiem redukującym jest ośrodek, w którym zachodzi reakcja, jest utlenianie kwasu chlorowodorowego dwuchromianem potasu, zestawione metodą wagi elektronicznej:
Przy obliczaniu stosunków ilościowych, masowych i objętościowych uczestników reakcji redoks stosuje się podstawowe stechiometryczne prawa chemii, a w szczególności prawo równoważników. Do określenia kierunku i kompletności procesów redoks wykorzystuje się wartości parametrów termodynamicznych tych układów, a w przypadku reakcji zachodzących w roztworach wodnych wartości odpowiednich potencjałów elektrod.
Podczas lekcji będziemy studiować temat „Reakcje utleniania i redukcji”. Poznasz definicję tych reakcji, ich różnice od innych typów reakcji. Pamiętaj, jaki jest stopień utlenienia, utleniacz i reduktor. Naucz się sporządzać schematy bilansu elektronicznego dla reakcji redoks, zapoznaj się z klasyfikacją reakcji redoks.
Temat: Reakcje redoks
Lekcja: Reakcje redoks
Nazywa się reakcje zachodzące wraz ze zmianą stopnia utlenienia atomów tworzących reagujące substancje redoks . Zmiana stopnia utlenienia następuje na skutek przeniesienia elektronów ze środka redukującego na środek utleniający. jest formalnym ładunkiem atomu, przy założeniu, że wszystkie wiązania w związku są jonowe.
Utleniacz - Jest to substancja, której cząsteczki lub jony przyjmują elektrony. Jeśli pierwiastek jest utleniaczem, jego stopień utlenienia maleje.
О 0 2 +4е - → 2О -2 (Utleniacz, proces redukcji)
Proces przyjęcie elektrony nazywane są substancjami przywrócenie. W trakcie procesu utleniacz ulega redukcji.
Reduktor - to substancja, której cząsteczki lub jony oddają elektrony. Środek redukujący zwiększa stopień utlenienia.
S 0 -4e - →S +4 (Reduktor, proces utleniania)
Proces zwroty elektrony to tzw. W trakcie procesu środek redukujący ulega utlenieniu.
Przykład nr 1. Produkcja chloru w laboratorium
W laboratorium chlor otrzymuje się z nadmanganianu potasu i stężonego kwasu solnego. Kryształy nadmanganianu potasu umieszcza się w kolbie Wurtza. Zamknąć kolbę korkiem z wkraplaczem. Do lejka wlewa się kwas solny. Kwas solny wlewa się z wkraplacza. Natychmiast rozpoczyna się energiczne uwalnianie chloru. Przez rurkę wylotową gazu chlor stopniowo wypełnia butlę, wypierając z niej powietrze. Ryż. 1.
Ryż. 1
Na przykładzie tej reakcji przyjrzyjmy się, jak stworzyć wagę elektroniczną.
KMnO 4 + HCI = KCI + MnCI 2 + CI 2 + H 2 O
K + Mn +7 O -2 4 + H + CI - = K + CI - + Mn +2 CI - 2 + CI 0 2 + H + 2 O -2
Zmieniły się stopnie utlenienia manganu i chloru.
Mn +7 +5е - = Utleniacz Mn +2, proces redukcji
2 CI - -2е - = CI 0 2 środek redukujący, proces utleniania
4. Wyrównajmy liczbę oddanych i odebranych elektronów. Aby to zrobić, znajdujemy najmniejszą wspólną wielokrotność dla liczb 5 i 2. Jest to 10. W wyniku podzielenia najmniejszej wspólnej wielokrotności przez liczbę podanych i przyjętych elektronów znajdujemy współczynniki środka utleniającego i redukującego agent.
Mn +7 +5e - = Mn +2 2
2 CI - -2е - = CI 0 2 5
2KMnO4+? HCI = ?KCI + 2MnCI 2 + 5CI 2 +? H2O
Jednak przed wzorem kwasu solnego nie ma współczynnika, ponieważ nie wszystkie jony chlorkowe brały udział w procesie redoks. Metoda równowagi elektronowej pozwala zrównoważyć tylko jony biorące udział w procesie redoks. Dlatego konieczne jest wyrównanie liczby jonów nie biorących udziału w . Mianowicie kationy potasu, aniony wodoru i chlorku. Rezultatem jest następujące równanie:
2KMnO 4 + 16 HCI = 2KCI + 2MnCI 2 + 5CI 2 + 8H 2O
Przykład nr 2. Oddziaływanie miedzi ze stężonym kwasem azotowym. Ryż. 2.
„Miedzianą” monetę umieszczono w szklance z 10 ml kwasu. Szybko rozpoczęło się wydzielanie brązowego gazu (szczególnie imponujące były brązowe bąbelki w wciąż bezbarwnej cieczy). Cała przestrzeń nad cieczą stała się brązowa, a ze szkła wylewały się brązowe opary. Roztwór zmienił kolor na zielony. Reakcja stale przyspieszała. Po około pół minucie roztwór zmienił kolor na niebieski, a po dwóch minutach reakcja zaczęła zwalniać. Moneta nie rozpuściła się całkowicie, ale sporo straciła na grubości (można było ją zgiąć palcami). Zielony kolor roztworu w początkowej fazie reakcji wynika z produktów redukcji kwasu azotowego.
Ryż. 2
1. Zapiszmy schemat tej reakcji:
Cu + HNO 3 = Cu (NO 3) 2 + NO 2 + H 2 O
2. Uporządkujmy stopnie utlenienia wszystkich pierwiastków w substancjach biorących udział w reakcji:
Cu 0 + H + N +5 O -2 3 = Cu +2 (N +5 O -2 3) 2 + N +4 O -2 2 + H + 2 O -2
Dla miedzi i azotu zmieniły się stopnie utlenienia.
3. Sporządzamy diagram obrazujący proces przejścia elektronu:
N +5 +е - = N +4 utleniacz, proces redukcji
Cu 0 -2е - = Cu +2 środek redukujący, proces utleniania
4. Wyrównajmy liczbę oddanych i odebranych elektronów. Aby to zrobić, znajdujemy najmniejszą wspólną wielokrotność dla liczb 1 i 2. Jest to 2. W wyniku podzielenia najmniejszej wspólnej wielokrotności przez liczbę oddanych i odebranych elektronów znajdujemy współczynniki środka utleniającego i redukującego agent.
N +5 +e - = N +4 2
Cu 0 -2е - = Cu +2 1
5. Przenosimy współczynniki na pierwotny diagram i przekształcamy równanie reakcji.
Cu + AHNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Kwas azotowy bierze udział nie tylko w reakcji redoks, dlatego współczynnik nie jest zapisywany na początku. W rezultacie ostatecznie otrzymuje się następujące równanie:
Cu + 4HNO 3 = Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Klasyfikacja reakcji redoks
1. Międzycząsteczkowe reakcje redoks .
Są to reakcje, w których utleniaczem i reduktorem są różne substancje.
H 2 S -2 + Cl 0 2 → S 0 + 2HCl -
2. Reakcje wewnątrzcząsteczkowe, w których atomy utleniające i zatrzymujące znajdują się w cząsteczkach tej samej substancji, np.:
2H + 2 O -2 → 2H 0 2 + O 0 2
3. Dysproporcja (samoutlenianie-samonaprawa) - reakcje, w których ten sam pierwiastek pełni jednocześnie funkcję utleniacza i reduktora, np.:
Cl 0 2 + H 2 O → HCl + O + HCl -
4. Konproporcja (Reproporcjonacja) - reakcje, w których jeden stopień utlenienia otrzymuje się z dwóch różnych stopni utlenienia tego samego pierwiastka
Praca domowa
1. nr 1-3 (s. 162) Gabrielyan O.S. Chemia. Klasa 11. Podstawowy poziom. Wydanie 2, usunięte. - M.: Drop, 2007. - 220 s.
2. Dlaczego amoniak ma jedynie właściwości redukujące, a kwas azotowy tylko utleniające?
3. Uporządkuj współczynniki w równaniu reakcji wytwarzania kwasu azotowego metodą wagi elektronicznej: ?NO 2 + ?H 2 O + O 2 = ?HNO 3
Typ lekcji. Zdobywanie nowej wiedzy.
Cele Lekcji.Edukacyjny. Zapoznanie studentów z nową klasyfikacją reakcji chemicznych bazującą na zmianach stopni utlenienia pierwiastków – reakcje utleniania-redukcji (ORR); uczyć studentów układania współczynników metodą wagi elektronicznej.
Rozwojowy. Kontynuuj rozwój logicznego myślenia, umiejętności analizowania i porównywania oraz rozwijaj zainteresowanie tematem.
Edukacyjny. Kształtować naukowy światopogląd studentów; poprawić umiejętności pracy.
Metody i techniki metodologiczne. Opowiadanie, rozmowa, pokaz pomocy wizualnych, samodzielna praca uczniów.
Sprzęt i odczynniki. Reprodukcja z wizerunkiem Kolosa Rodyjskiego, algorytm porządkowania współczynników metodą wagi elektronicznej, tabela typowych środków utleniających i redukujących, krzyżówka; Roztwory Fe (gwóźdź), NaOH, CuSO 4.
PODCZAS ZAJĘĆ
Część wprowadzająca
(motywacja i wyznaczanie celów)
Nauczyciel. W III wieku. PNE. Na wyspie Rodos wzniesiono pomnik w postaci ogromnego posągu Heliosa (greckiego boga słońca). Imponujący projekt i doskonałe wykonanie Kolosa z Rodos – jednego z cudów świata – zadziwiły każdego, kto go zobaczył.
Nie wiemy dokładnie, jak posąg wyglądał, ale wiadomo, że został wykonany z brązu i osiągnął wysokość około 33 m. Posąg wykonał rzeźbiarz Haret, a jego budowa trwała 12 lat.
Brązowa skorupa została przymocowana do żelaznej ramy. Pustą statuę zaczęto budować od dołu, a w miarę wzrostu zapełniano ją kamieniami, aby była bardziej stabilna. Około 50 lat po ukończeniu Colossus zawalił się. Podczas trzęsienia ziemi pękła na wysokości kolan.
Naukowcy uważają, że prawdziwą przyczyną kruchości tego cudu była korozja metalu. A proces korozji opiera się na reakcjach redoks.
Dzisiaj na lekcji dowiecie się o reakcjach redoks; poznać pojęcia „reduktor” i „utleniacz”, poznać procesy redukcji i utleniania; nauczyć się umieszczać współczynniki w równaniach reakcji redoks. Zapisz datę i temat lekcji w zeszytach ćwiczeń.
Nauka nowego materiału
Nauczyciel przeprowadza dwa doświadczenia demonstracyjne: oddziaływanie siarczanu miedzi(II) z alkaliami oraz oddziaływanie tej samej soli z żelazem.
Nauczyciel. Zapisz równania molekularne zachodzących reakcji. W każdym równaniu uporządkuj stopnie utlenienia pierwiastków we wzorach substancji wyjściowych i produktów reakcji.
Student zapisuje na tablicy równania reakcji i przypisuje stopnie utlenienia:
Nauczyciel. Czy w tych reakcjach zmieniły się stopnie utlenienia pierwiastków?
Student. W pierwszym równaniu stopnie utlenienia pierwiastków nie uległy zmianie, natomiast w drugim uległy zmianie – dla miedzi i żelaza.
Nauczyciel. Druga reakcja to reakcja redoks. Spróbuj zdefiniować reakcje redoks.
Student. Reakcje, w wyniku których zmieniają się stopnie utlenienia pierwiastków tworzących reagenty i produkty reakcji, nazywane są reakcjami redoks.
Uczniowie pod dyktando nauczyciela zapisują w zeszytach definicję reakcji redoks.
Nauczyciel. Co się stało w wyniku reakcji redoks? Przed reakcją żelazo miało stopień utlenienia 0, po reakcji osiągnęło poziom +2. Jak widać stopień utlenienia wzrósł, dlatego żelazo oddaje 2 elektrony.
Miedź przed reakcją ma stopień utlenienia +2, a po reakcji 0. Jak widać stopień utlenienia obniżył się. Dlatego miedź przyjmuje 2 elektrony.
Żelazo oddaje elektrony, jest czynnikiem redukującym, a proces przenoszenia elektronów nazywa się utlenianiem.
Miedź przyjmuje elektrony, jest utleniaczem, a proces dodawania elektronów nazywa się redukcją.
Zapiszmy diagramy tych procesów:
Podaj zatem definicję pojęć „środek redukujący” i „środek utleniający”.
Student. Atomy, cząsteczki lub jony oddające elektrony nazywane są czynnikami redukującymi.
Atomy, cząsteczki lub jony, które zyskują elektrony, nazywane są utleniaczami.
Nauczyciel. Jak zdefiniować procesy redukcji i utleniania?
Student. Redukcja to proces, w wyniku którego atom, cząsteczka lub jon zyskuje elektrony.
Utlenianie to proces przenoszenia elektronów przez atom, cząsteczkę lub jon.
Uczniowie zapisują w zeszycie definicje pod dyktando i rysują.
Pamiętać!
Oddaj elektrony i utlenij.
Zabierz elektrony - odzyskaj.
Nauczyciel. Utlenianiu zawsze towarzyszy redukcja i odwrotnie, redukcja zawsze wiąże się z utlenianiem. Liczba elektronów oddanych przez środek redukujący jest równa liczbie elektronów uzyskanych przez środek utleniający.
Do doboru współczynników w równaniach reakcji redoks stosuje się dwie metody - równowagę elektronową i równowagę elektronowo-jonową (metoda półreakcji).
Rozważymy jedynie metodę wagi elektronicznej. W tym celu wykorzystujemy algorytm porządkowania współczynników metodą wagi elektronicznej (zaprojektowany na kartce papieru Whatmana).
PRZYKŁAD Uporządkuj współczynniki na tym schemacie reakcji, korzystając z metody wagi elektronicznej, określ środek utleniający i reduktor, wskaż procesy utleniania i redukcji:
Fe 2 O 3 + CO Fe + CO 2.
Wykorzystamy algorytm porządkowania współczynników metodą wagi elektronicznej.
3. Wypiszmy pierwiastki zmieniające stopień utlenienia:
4. Utwórzmy równania elektroniczne określające liczbę oddanych i odebranych elektronów:
5. Liczba oddanych i odebranych elektronów musi być taka sama, ponieważ Ani materiały wyjściowe, ani produkty reakcji nie są naładowane. Wyrównujemy liczbę oddanych i odebranych elektronów, wybierając najmniejszą wspólną wielokrotność (LCM) i dodatkowe współczynniki:
6. Otrzymane mnożniki są współczynnikami. Przenieśmy współczynniki na schemat reakcji:
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2.
Substancje, które w wielu reakcjach są utleniaczami lub reduktorami, nazywane są typowymi.
Zawieszony jest stół wykonany na kawałku papieru Whatman.
Nauczyciel. Reakcje redoks są bardzo częste. Są one związane nie tylko z procesami korozyjnymi, ale także z fermentacją, rozkładem, fotosyntezą i procesami metabolicznymi zachodzącymi w żywym organizmie. Można je zaobserwować podczas spalania paliwa. Procesy redoks towarzyszą cyklom substancji w przyrodzie.
Czy wiesz, że każdego dnia w atmosferze powstaje około 2 milionów ton kwasu azotowego, czyli
700 mln ton rocznie, a w postaci słabego roztworu opadają na ziemię wraz z deszczem (człowiek produkuje jedynie 30 mln ton kwasu azotowego rocznie).
Co dzieje się w atmosferze?
Powietrze zawiera 78% azotu, 21% tlenu i 1% innych gazów. Pod wpływem wyładowań atmosferycznych, a na Ziemi zdarza się średnio 100 błyskawic na sekundę, cząsteczki azotu oddziałują z cząsteczkami tlenu, tworząc tlenek azotu (II):
Tlenek azotu(II) łatwo utlenia się pod wpływem tlenu atmosferycznego do tlenku azotu(IV):
NIE + O 2 NIE 2 .
Powstały tlenek azotu (IV) reaguje z wilgocią atmosferyczną w obecności tlenu, zamieniając się w kwas azotowy:
NO 2 + H 2 O + O 2 HNO 3.
Wszystkie te reakcje są reakcjami redoks.
Ćwiczenia . Uporządkować współczynniki na podanych schematach reakcji, korzystając z metody wagi elektronicznej, wskazać czynnik utleniający, reduktor, procesy utleniania i redukcji.
Rozwiązanie
1. Określmy stopnie utlenienia pierwiastków:
2. Podkreślmy symbole pierwiastków, których stopień utlenienia się zmienia:
3. Wypiszmy pierwiastki, które zmieniły stopień utlenienia:
4. Utwórzmy równania elektroniczne (wyznaczmy liczbę oddanych i odebranych elektronów):
5. Liczba elektronów oddanych i odebranych jest taka sama.
6. Przenieśmy współczynniki z obwodów elektronicznych na diagram reakcji:
Następnie studenci proszeni są o samodzielne uporządkowanie współczynników metodą wagi elektronicznej, określenie środka utleniającego, środka redukującego oraz wskazanie procesów utleniania i redukcji w innych procesach zachodzących w przyrodzie.
Pozostałe dwa równania reakcji (ze współczynnikami) mają postać:
Poprawność zadań sprawdzana jest za pomocą rzutnika.
Część końcowa
Nauczyciel prosi uczniów o rozwiązanie krzyżówki na podstawie przestudiowanego materiału. Wynik pracy przekazywany jest do weryfikacji.
Po rozwiązaniu krzyżówka, dowiesz się, że substancje KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7, O 3 są mocne… (pion (2)).
Poziomo:
1. Jaki proces odzwierciedla diagram:
3. Reakcja
N 2 (np.) + 3H 2 (np.) 2NH 3 (np.) + Q
jest redoks, odwracalny, jednorodny, ....
4. ...węgiel(II) jest typowym czynnikiem redukującym.
5. Jaki proces odzwierciedla diagram:
6. Do doboru współczynników w równaniach reakcji redoks należy zastosować metodę elektroniczną....
7. Według schematu aluminium oddało... elektron.
8. W reakcji:
H2 + Cl2 = 2HCl
wodór H 2 – ... .
9. Jakiego rodzaju reakcje są zawsze wyłącznie redoks?
10. Stopień utlenienia prostych substancji to….
11. W reakcji:
Środek redukujący -….
Praca domowa. Według podręcznika O.S. Gabrielyana „Chemia-8” § 43, s. 178–179, np. 1, 7 w formie pisemnej.
Zadanie (dla domu). Projektanci pierwszych statków kosmicznych i łodzi podwodnych stanęli przed problemem: jak utrzymać stały skład powietrza na statku i stacjach kosmicznych? Pozbyć się nadmiaru dwutlenku węgla i uzupełnić tlen? Znaleziono rozwiązanie.
Nadtlenek potasu KO 2 w wyniku interakcji z dwutlenkiem węgla tworzy tlen:
Jak widać, jest to reakcja redoks. Tlen w tej reakcji jest zarówno środkiem utleniającym, jak i reduktorem.
Podczas misji kosmicznej liczy się każdy gram ładunku. Oblicz zapas nadtlenku potasu, jaki należy zabrać na lot kosmiczny, jeśli lot trwa 10 dni i jeśli załoga składa się z dwóch osób. Wiadomo, że człowiek wydycha dziennie 1 kg dwutlenku węgla.
(Odpowiedź: 64,5 kg KO 2. )
Zadanie (podwyższony poziom trudności). Zapisz równania reakcji redoks, które mogły doprowadzić do zniszczenia Kolosa z Rodos. Należy pamiętać, że ten gigantyczny posąg stał w mieście portowym na wyspie na Morzu Egejskim, u wybrzeży współczesnej Turcji, gdzie wilgotne śródziemnomorskie powietrze jest przesiąknięte solą. Został wykonany z brązu (stopu miedzi i cyny) i osadzony na żelaznej ramie.
Literatura
Gabrielyan OS. Chemia-8. M.: Drop, 2002;
Gabrielyan O.S., Voskoboynikova N.P., Yashukova A.V. Podręcznik nauczyciela. 8 klasa. M.: Drop, 2002;
Cox R., Morris N. Siedem cudów świata. Świat starożytny, średniowiecze, nasze czasy. M.: BMM AO, 1997;
Encyklopedia małych dzieci. Chemia. M.: Rosyjskie Partnerstwo Encyklopedyczne, 2001; Encyklopedia dla dzieci „Avanta+”. Chemia. T. 17. M.: Avanta+, 2001;
Khomchenko G.P., Sevastyanova K.I. Reakcje redoks. M.: Edukacja, 1989.
Skąd wiesz, gdzie w reakcji chemicznej znajduje się środek utleniający, a gdzie środek redukujący? i dostałem najlepszą odpowiedź
Odpowiedź z ul.[aktywna]
jeśli po reakcji (po znaku równości) substancja uzyska ładunek dodatni, oznacza to, że jest reduktorem
a jeśli nabierze ładunku ujemnego, oznacza to, że jest utleniaczem
Na przykład
H2 + O2 = H2O
Przed reakcją zarówno wodór, jak i tlen mają ładunek zerowy
po reakcji
wodór uzyskuje ładunek +1, a tlen -2 oznacza, że wodór jest czynnikiem redukującym
a tlen jest utleniaczem!!
Źródło: =)) jeśli coś jest niejasne, pisz)
Odpowiedź od 2 odpowiedzi[guru]
Cześć! Oto wybór tematów zawierających odpowiedzi na Twoje pytanie: Skąd wiesz, gdzie w reakcji chemicznej znajduje się środek utleniający, a gdzie reduktor?
Odpowiedź od BrodaMax[guru]
Aby to zrobić, musisz wiedzieć, jaki jest stopień utlenienia.
Naucz się określać stopień utlenienia dowolnego atomu związku chemicznego.
Następnie przyjrzyj się, które atomy CO zwiększają się w reakcji, a które zmniejszają. Pierwsze to środki redukujące, drugie to środki utleniające.
Ogólnie rzecz biorąc, nie było potrzeby pomijania chemii.
Odpowiedź od OOO[Nowicjusz]
Środek redukujący to substancja, która oddaje elektrony. Na przykład Ca (2+) - 2e = Ca (0)
Utleniacz to substancja, która przyjmuje elektrony.
Odpowiedź od Mariska[Nowicjusz]
Aby się tego dowiedzieć, należy przyjrzeć się, czym są odczynniki i co dodaje się jako podłoże. Na przykład, jeśli substancje wyjściowe zawierają Mn (+4) i wodę, to Mn zmieni stopień utlenienia na (+6), jeśli się nie mylę. Ponadto widać, w jakim stopniu utlenienia są pierwiastki (nagle gdzieś jest to minimalne lub wręcz przeciwnie, maksymalne).
