Учебное пособие 29

5)составляют электронный баланс, выставляя за вертикальной чертой соответствующие множители (крест-накрест). С учетом множителей число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых окислителем;

6)суммируют правые и левые части уравнений, умножая их на множители за вертикальной чертой;

7)проставляют стехиометрические коэффициенты перед окислителем

ивосстановителем в молекулярном уравнении реакции;

8)уравнивают числа атомов тех элементов, которые не изменяют своей степени окисления.

Согласно предложенному алгоритму, подберем коэффициенты в уравнении окислительно-восстановительной реакции:

Fe2O3 + CO → Fe + CO2

Определяем степени окисления атомов железа, углерода и кислорода в реагентах и продуктах реакции:

Fe2 O3 + CO → Fe + CO2

Из полученного уравнения видно, что степени окисления изменили атомы железа и углерода. Выписываем эти элементы с указанием степени их окисления:

+3 0

Fe → Fe

+2 +4

C → C

Составляем уравнения восстановления и окисления, соблюдая законы сохранения числа атомов и заряда каждой полуреакции:

процесс окисления: C -2e → C; C − восстановитель.

Поскольку в молекулу оксида железа входит 2 атома железа, то этот коэффициент сохранили в левой части уравнения реакции восстановления атомов железа. Чтобы уравнять количество атомов железа в обеих частях уравнения восстановления, в правой части уравнения перед железом также ставим коэффициент 2. Каждый атом железа при восстановлении принимает 3 электрона, а два атома железа примут 6 электронов. Степень окисления атома углерода увеличивается с +2 до +4, следовательно, атом углерода окисляется, отдавая 2 электрона атомам железа.

11

Составляем электронный баланс, для чего проводим справа вертикальную черту и за ней напротив каждого уравнения выставляем множители, меняя местами числа отданных и принятых электронов в уравнениях восстановления и окисления (крест-накрест). При необходимости сокращаем полученные множители.

Суммируем левые и правые части уравнения, умножая их на соответствующие множители:

Электроны при суммировании уравнений можно не записывать, так как число электронов, отданных восстановителем и принятых окислителем, будет одинаково. Расставляем стехиометрические коэффициенты в молекулярном уравнении реакции:

Fe2 O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Составим уравнения еще для одной окислительно-восстановительной реакции:

KMnO4 + HCl → MnCl2 + Cl2 + KCl + H2O

Определим степени окисления атомов элементов, входящих в исходные вещества и продукты реакции:

K Mn O4 + H Cl → Mn Cl2 + Cl2 + K Cl + H2 O

12

Атомы марганца понижают степень окисления, восстанавливаются и являются окислителями. Атомы хлора повышают степень окисления, окис-

ляются и являются восстановителями. Записываем уравнения восстановления марганца и окисления хлора:

+7 +2

Mn + 5e → Mn

-1 0

2Cl – 2e → Cl2

Атомов марганца в правой и левой части уравнения по одному. Поскольку в молекуле хлора содержится два атома, то составляем сначала баланс по атомам, выставляя в левой части перед ионом хлора коэффициент 2. Затем определяем числа электронов, принятых окислителем и отданных восстановителем. За вертикальной чертой ставим множители (крест-накрест) и складываем левые и правые части уравнений, умножая каждую строку на соответствующий множитель:

2Mn + 10Cl → 2Mn + 5Cl2

Проставляем стехиометрические коэффициенты в уравнении окислитель- но-восстановительной реакции у элементов, изменивших степень окисления:

2K MnO4 + 10HCl → 2Mn Cl2 + 5Cl2 + K Cl + H2O

Уравниваем числа атомов тех элементов, которые не изменяют своей степени окисления при протекании реакции. Атомов калия слева 2, поэтому слева перед хлоридом калия ставим коэффициент 2:

2K MnO4 + 10HCl → 2Mn Cl2 + 5Cl2 + 2KCl + H2O

Определяем общее число атомов хлора в правой части уравнения:

2·2+5·2+2=16.

13

В левой части уравнения перед молекулой HCl нужно поставить коэффициент 16, так как источником атомов хлора в этом уравнении является только соляная кислота:

2K MnO4 + 16HCl → 2MnCl2 + 5Cl2 + 2KCl + H2O

Уравняем число атомов водорода в правой и левой части уравнения. Молекулярное уравнение реакции имеет следующий вид:

2KMnO4 + 16HCl → 2MnCl2 + 5Cl2 + 2KCl + 8H2O

1.8. Примеры выполнения упражнений

Пример 1. Определите степень окисления серы в ионах: SO32-, S2O72-

HSO3–, S2O32-.

Решение

1. Рассчитаем степень окисления серы в оксиде SO3-2. Зная степень окисления кислорода (–2) и принимая за x степень окисления серы, составим уравнение:

x + 3·(–2) = 0, x – 6 = 0,

x = +6.

Степень окисления серы равна +6:

+6 -2

SO3

2. Рассчитаем степень окисления серы в ионе S2O72-. Ион имеет заряд (2–), степень окисления серы находим, учитывая правило 3: сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав сложного иона равна заряду этого иона. Принимая за x степень окисления серы и зная степень окисления кислорода (–2), составим уравнение:

2x + 7·(–2) = –2,

2x = + 12, x = +6.

Степень окисления серы равна +6.

3. Аналогично рассчитаем степень окисления серы в ионе HSO3–. Принимая за x степень окисления серы, зная степень окисления кислорода (–2) и водорода (+1), составим уравнение:

1+ x +3·(–2) = –1, x = +4.

Степень окисления серы равна +4.

14

4. По аналогии с заданием 2 рассчитаем степень окисления серы в ионе S2O32-, составив уравнение:

2x + 3·(–2) = –2, x = +2.

Степень окисления серы в данном ионе равна +2.

Пример 2. Укажите, какие из приведенных реакций являются окисли- тельно-восстановительными:

1)2Zn + O2 → 2ZnO

2)2KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2H2O

3)Na2CO3 + CuCl2 → CuCO3 +2NaCl

4)2H2S + H2SO3 → 3S + 3H2O

Решение

Для начала, необходимо определить, какие реакции называются окис- лительно-восстановительными. Окислительно-восстановительные реакции – это реакции, при которых происходит изменение степени окисления атомов реагирующих веществ. Следовательно, необходимо определить степени окисления всех атомов, которые входят в данные реакции:

0 0 +2 -2

1) 2Zn + O2 → 2ZnO − в данной реакции степень окисления меняют и цинк и кислород, следовательно, это окислительно-восстановительная реакция.

2) 2KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2H2O − в данной реакции ни один из атомов не меняет свои степени окисления, поэтому эта реакция не является окислительно-восстановительной, а реакцией обмена.

3) Na2CO3 + CuCl2 → CuCO3 +2NaCl − в данной реакции тоже ни один из атомов не меняет свои степени окисления, поэтому эта реакция не является окислительно-восстановительной, а реакцией обмена.

4) 2H2S + H2SO3 → 3S + 3H2O − в этой реакции сера меняет свою степень окисления от (–2) до 0 и от (+6) до 0, поэтому данная реакция является окислительно-восстановительной.

Пример 3. В приведенных ниже окислительно-восстановительных реакциях укажите восстановитель, окислитель и тип данной реакции:

1)S + O2 SO2

2)(NH4)2Cr2O7 –t Cr2O3 + N2 + 4H2O

3)3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O

15

Решение

Из условия задачи следует, что все приведенные реакции являются окислительно-восстановительными, значит степени окисления атомов меняются. Для того чтобы указать окислитель и восстановитель необходимо определить, кто именно из атомов меняет степень окисления.

0 0 +4 -2

1) S + O2 SO2 − в данной реакции сера повысила свою степень окисления от 0 до (+4) за счет отдачи электронов в соответствии с определением «восстановитель – это частица, отдающая электроны». Восстановитель в ходе реакции окисляется, степень его окисления увеличивается. Следовательно, S0

– восстановитель.

Кислород, напротив, уменьшил свою степень окисления от 0 до (–2) за счет принятия электронов в соответствии с определением «окислитель – это частица, присоединяющая электроны». Окислитель в ходе реакции восстанавливается, степень окисления его понижается. Поэтому O20 – окислитель.

В данной реакции степень окисления изменяют атомы, входящие в состав разных исходных веществ, такой тип реакций называется межмолеку-

лярные окислительно-восстановительных реакций.

2) (NH4)2Cr2O7 –t Cr2O3 + N2 + 4H2O − в данной реакции азот повысил степень окисления от (–3) до 0 за счет отдачи электронов, поэтому в соответствии с определением N-3 − восстановитель. Хром, наоборот, понизил свою степень окисления от (+6) до (+3) следовательно, Cr+6 – окислитель.

В данной реакции степень окисления меняют атомы, входящие в состав одного соединения, такой тип реакций − это внутримолекулярные окисли-

тельно-восстановительных реакции.

+1+3 -2 +1+5-2 +2-2 +1 -2

3) 3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O − в данной реакции азот повышает степень окисления от (+3) до (+5) за счет отдачи электронов, поэтому N+3 − восстановитель и тот же азот понижает степень окисления от (+3) до 0, являясь при этом окислителем. В данной реакции атома азота проявляет свойства как окислителя, так и восстановителя, такой тип реакций называется реакции

диспропорционирования.

Пример 4. Определите коэффициент перед молекулой восстановителя в уравнении реакции

K2SO3 + KMnO4 + H2SO4 K2SO4 + MnSO4 + H2O

16

Решение

Необходимо применить метод подбора коэффициентов с помощью электронного баланса:

1)записываем формулы исходных веществ и продуктов реакции: K2SO3 + KMnO4 + H2SO4 K2SO4 + MnSO4 + H2O

2)определяем степени окисления атомов элементов в исходных веществах и продуктах реакции:

+1+4 -2 +1 +7 -2 +1 +6 -2 +1+6 -2 +2 +6 -2 +1 -2

K2SO3 + KMnO4 + H2SO4 K2SO4 + MnSO4 + H2O

3) находим элементы, которые повышают и понижают степени окисления, и выписываем их отдельно, с указание степени их окисления: в нашем уравнении марганец понижает степень окисления от (+7) до (+2) за счет присоединения электронов, такой процесс называется восстановлением, а Mn+7 – окислитель. Сера, наоборот, повышает степень окисления от (+4) до (+6) зачет отдачи электронов – это процесс окисления, S+4 – восстановитель.

4) проставляем стехиометрические коэффициенты в уравнении окисли- тельно-восстановительной реакции у элементов, изменивших степень окисления, и уравниваем число атомов тех элементов, которые не изменяют своей степени окисления:

5K2SO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 6K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O

После того как расставили все коэффициенты и определили, что S+4 – восстановитель и перед ним стоит коэффициент 5, можно выбрать правильный ответ. Ответ: 1.

Пример 5. Определите общую сумму коэффициентов в уравнении реакции и выберите один вариант ответа:

Zn + HNO3(разб.) → Zn(NO3)2 + N2O + Н2О

Решение

Необходимо определить коэффициенты методом электронного баланса. Так как уравнение и продукты реакции уже есть, можно сразу перейти к оп-

17

ределению элементов, которые поменяли степень окисления:

Zn + HNO3(разб.) → Zn(NO3)2 + N2O + Н2О

В данном уравнении цинк повысил степень уравнения от (0) до (+2), т.е. это процесс окисления, а цинк – восстановитель, азот, наоборот, понизил степень окисления от (+5) до (+1) – процесс восстановление, а азот – окислитель.

Полученные коэффициенты подставляем в наше уравнение: 4Zn + 10HNO3(разб.) → 4Zn(NO3)2 + N2O + 5Н2О

Теперь складываем все коэффициенты: 4+10+4+1+5 = 24. Поэтому правильный ответ: 2.

Пример 6. Укажите реакцию, которая не относится к реакциям диспропорционирования:

а) 2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2

б) S + KOH → K2S + K2SO3 + H2O

в) Cu + 4 HNO3 → Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2H2O

Решение

Реакции диспропорционирования – это реакции, в которых атомы одного элемента проявляют свойства окислителя и восстановителя. Поэтому необходимо определить степень окисления во всех предложенных уравнениях.

а) 2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 – в данном уравнении азот (+4) повышает (+5) и понижает (+3) свою степень окисления, поэтому это реакция диспропорционирования;

б) S + KOH → K2S + K2SO3 + H2O – в данной реакции сера (0) понижает (-2) и повышает (+4) степень окисления, поэтому это тоже реакция диспропорционирования;

в) Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O – в данной реакции медь повышает степень окисления от (0) до (+2) за счет отдачи электронов – процесс окисления, медь – восстановитель, а азот, наоборот, понижает от (+5) до (+4) – процесс восстановления, азот – окислитель. Следовательно, это реак-

18

ция, в которой окислитель и восстановитель − разные атомы в разных молекулах, то есть это межмолекулярная окислительно-восстановительная реакция. Поэтому правильный ответ: в).

1.9. Упражнения для самостоятельной работы

1. Определите степень окисления азота в следующих соединениях: NH3, N2H4, N2O, N2O4, N2O5, NH2OH, KNO3, Ca(NO2)2, NH4NO3, (NH4)2S.

2.В каких уравнениях реакций оксид марганца проявляет свойства окислителя, а в каких восстановителя:

а) 2MnO2+2H2SO4 → 2MnSO4+O2+2H2O б) 2MnO2+O2+4KOH→ 2K2MnO4+2H2O в) MnO2+H2 → MnO+H2O

г) 2MnO2+3NaBiO3+6HNO3 → 2HMnO4+3BiONO3+3NaNO3+2H2O

3.Чему равен коэффициент перед окислителем в уравнении реакции

4. Коэффициент перед восстановителем в уравнении реакции, равен….

5. Укажите, какие из приведенных реакций являются окислительновосстановительными:

1)ZnO + NO → Zn(NO3)2

2)I2 + 2NaOH → NaIO + NaI + H2O

3)KMnO4 + KNO2 + H2O → MnO2 + KNO3 + KOH

6. Методом электронного баланса подберите коэффициенты в уравнениях окислительно-восстановительных реакциях:

a) Cu + H2SO4(конц.) → СuSO4 + SO2 + H2O б) H2S + НСlO → H2SO4 + НСl

в) С + HNO3 → CO2 + NO + H2O

г) MnO2 + НСl → MnСl2 + Сl2 + H2O.

7. К окислителям относятся: а) металлы, водород, углерод;

б) соединения, содержащиеэлементывотрицательныхстепеняхокисления;

19

в) соединения, содержащие элементы в высших степенях окисления; г) альдегиды и спирты.

8. Составьте уравнения реакций:

1)горения сероводорода;

2)разложения хлората калия.

Объясните, в чем суть пожарной опасности сероводорода и бертолетовой соли. Запишите схемы процессов окисления и восстановления, укажите окислитель и восстановитель.

1.10.Типичные задачи в контрольной работе

1.Рассчитайте коэффициенты в схемах следущих окислительновосстановительных процессов:

1)KClO3 + FeSO4 + H2SO4 → KCl + Fe2 (SO4)3 + H2O

2)K2MnO4 + CO2 → KМnO4 + MnO2 + K2CO3

2.Уменьшение степени окисления определяет процесс: 1) отдача электронов; 2) восстановления; 3) обмена; 4) растворения.

3.Во время реакции окислители…

1)окисляются;

2)восстанавливаются;

3)разлагаются;

4)нейтрализуются.

Библиографический список

1.Коровин, Н.В. Общая химия: учеб. для техн. направ. и спец. вузов / Н.В. Коровин. – М.: Высшая школа, 2000. – 558 с.

2.Глинка, Н.Л. Общая химия / Н.Л. Глинка. – Л.: Химия, 1985. – 704 с.

3.Методические указания к выполнению лабораторных работ по химии для студентов 1 курса факультета инженерных систем и сооружений специальности 330400 / сост.: И.И. Грекова С.И. Тарановская; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. – Воронеж, 2002. – 84 с.

20