Примеры решения задач. Пример. Вычислите степень окисления азота в молекуле азотной кислоты
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 внутримолекулярнымотносятся 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 балансаприменим 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.