Методическое пособие 494

Сложные ионы и молекулы, содержащие атомы неметалла в состоянии положительной степени окисления: сильные окислительные свойства проявляют также неметаллы в состоянии высокой, а некоторые и в низкой положительной степени окисления. К числу этих окислителей относят кислородосо-

5

держащие кислоты, образующие их оксиды и соли (например, H N O3 , концен-

6		6	1	5		1	5
трированная H 2 S O 4	,	S O3	, HOCl , H ClO3		,	NaO Br ,	K Cl O3

и др.). Из данного со-

стояния эти неметаллы стремятся перейти в состояние с более низкой степенью окисления. Азотная кислота в зависимости от её концентрации активности восстановителей может принимать от 1 до 8 электронов (NO2, NO, N2O, N2, NH3).

Сильными окислителями являются также концентрированные серная, селеновая и теллуровая кислоты. В ряду H2SO4 – H2SеO4 – H2ТеO4 – H6ТеO6 окислительные свойства возрастают от серной к теллуровой кислоте. При этом

в зависимости от активности восстановителя и условий протекания реакции они могут восстанавливаться до S+4, Se+4, Te+4, S0, Se0, Te0, S-2, Se-2, Te-2.

Кислородные соединения галогенов усиливаются с понижением степени окисления от +7 до +1. Кислородные соединения хлора. Брома и иода, проявляя окислительные свойства, восстанавливаются в зависимости от условий реакции до свободного состояния или до отрицательно заряженного иона.

Окислители, имеющие большое значение в промышленности

Кислород: применяется для интенсификации производственных процессов в металлургической и химической промышленности. Кислород широко используется в смеси с ацетиленом для получения высоких температур (35000С) при сварке и резке металлов.

Озон: отличается более сильной окислительной способностью, чем кислород, убивает бактерии, и применяется для обеззараживание воды и для дезинфекции воздуха.

Электрический ток: используется как окислитель на аноде для получения чистых веществ.

Хромовая и двухромовая кислоты: обе кислоты известны только в растворе, поэтому вместо свободных кислот пользуются их устойчивыми солями K2Cr2O7 и K2CrO4 для окисления различных веществ в промышленности и лаборатории.

Азотная кислота: окисляет многие металлы и относительно легко многие неметаллы.

Концентрированная серная кислота: сравнительно сильный окислитель,

особенно при высоких температурах.

70

Диоксид свинца: как и все соединения четырёхвалентного свинца, является исключительно сильным окислителем, широко применяется в свинцовых аккумуляторах.

Хлорная кислота, перекись водорода, диоксид марганца, перманганат ка-

лия, хлорная известь и др. окислители.

Применяют два метода составления уравнений для реакций окисления – восстановления. Один из методов основан на использовании степеней окисления. Повышение степени окисления у одного элемента и её понижение у другого элемента происходит одновременно. Так, при взаимодействии алюминия и серы

3 2

Al S Al2 S3

степень окисления алюминия повышается на 3 единицы

0	3
Al Al (3- 0		3)

а степень окисления серы понижается на 2 единицы

0 2

S S ( - 2 - 0 - 2) ,

Чтобы поставить коэффициенты в уравнении реакции, надо найти кратное для чисел, показывающих повышение и понижение степени окисления:

Найденные коэффициенты перенесём в уравнение реакции

2Al + 3S = Al2S3

7	2	2	3	SO4	3
K MnO4	FeSO4	H2SO4 MnSO4	Fe2			K2SO4	H2O . В приведённых

соединениях изменяют степень окисления только марганец и железо:

7	2
Mn 5e Mn					1
2	3		5
Fe - e Fe					5
KMnO4 – окислитель, FeSO4 – восстановитель. На 1 моль атомов Mn(VII)
требуется 5 моль атомов Fe(II):
			7			2	2	3
			Mn			5Fe Mn 5Fe .

Таким образом, основные коэффициенты при окислителе и восстановителе – это 1 и 5. Нужно, однако, учесть, что в результате реакции образуется Fe2(SO4)3, содержащий 2 моль атомов Fe(III), поэтому основные коэффициенты следует удвоить:

7		2
Mn 5e Mn					2
2		3		10
2Fe - 2e		2 Fe			5
7	2		2		3
2 Mn	10Fe 2 Mn 10Fe

Найденные коэффициенты подставляют в уравнение реакции

7	2	2	3	SO 4	3
2K MnO4	10 FeSO 4	H2SO 4 2 MnSO 4	5Fe2			K2SO 4	H2O .

71

Остальные коэффициенты находят при подсчёте баланса других элементов (пока без H и O), в данном случае атомов K и S:

2K MnO4 10FeSO 4 8H2SO 4 2MnSO 4 5Fe2 SO 4 3 K2SO 4 H2O .

Далее по балансу атомов водорода определяют число молей воды:

2K MnO4 10 FeSO 4 8H2SO 4 2 MnSO 4 5Fe2 SO 4 3 K2SO 4 8H2O .

Для проверки правильности подобранных коэффициентов подсчитывают баланс кислорода.

Второй метод составления уравнений для реакций окислениявосстановления – ионно-электронный метод. Ионно-электронный метод основан на составлении частных уравнений реакций восстановления ионов (молекул) – окислителя и окисления ионов (- восстановителя с последующим суммированием их в общее уравнение. Для этого необходимо составить ионную схему реакции. Не изменяющиеся в результате реакции ионы в ионную схему не включаются.

Вернёмся к ранее рассмотренному примеру:

K MnO4 FeSO 4 H2SO 4 MnSO 4 Fe2 SO 4 3 K2SO 4 H2O .

Ионная схема реакции:

MnO-4 Fe 2 H Mn 2 Fe 3 H2O

Как видим, ионы Fe+2 окисляются в ионы Fe+3, а ионы MnO-		восстанавли-
	4
ваются до ионов Mn+2. Частное уравнение окисления иона-восстановителя
Fe+2 - e-	= Fe+3
восстановленная	окисленная
форма	форма
В частном уравнении реакции восстановления окислителя MnO-			в восста-
		4

новленную форму Mn+2 для баланса атомов необходимо добавить ионы водорода, чтобы связать атомы кислорода в воду. Для баланса зарядов, кроме того, в левой части уравнения нужно добавить 5 моль электронов. Тогда частное уравнение реакции восстановления окислителя будет

MnO-4 + 8H+ + 5е	= Mn+2 + 4H2O
окисленная	восстановленная
форма	форма

При выводе общего уравнения реакции частные уравнения надо помножить на такие коэффициенты, чтобы число молей потерянных электронов стало равно числу приобретённых:

Fe 2 -1e- Fe 2					5
MnO-	8H 5e- Mn 2	4H	2	O	1
4

72

Проверка правильности составленного уравнения производится по балансу атомов и зарядов в общем уравнении:

MnO-4 5Fe 2 8H Mn 2 5Fe 3 4H2O

Если в качестве среды взята серная кислота, то уравнение реакции можно

записать: 2K MnO4 10FeSO 4 8H2SO 4 2MnSO 4 5Fe2 SO 4 3 K2SO 4 8H2O .

Основные типы окислительно-восстановительных реакций

1. Реакции межмолекулярного окисления-восстановления

7	3					2	5
2K MnO4	5K NO2		6HNO3			2Mn NO3 2	7K NO3	3H2O
Mn7 5e- Mn2					2	восстановление
			10
N-3 - 2e- N5					5	окисление

Mn+7 – окислитель, N-3 – восстановитель.

Количество отдаваемых электронов должно быть равно количеству присоединяемых электронов. Коэффициенты уравнений окислительновосстановительных реакций перед окислителем и восстановителем всегда равны дополнительным множителям в уравнениях электронного баланса. Все остальные коэффициенты определяются путём подбора. Проверяем верность составленных уравнений по количеству атомов элемента, который в большем количестве входит и в левую, и в правую части уравнения.

2. Реакции внутримолекулярного окисления-восстановления

7 -2	-1	0
2K ClO3	2K Cl 3O2

	Cl5 6e- Cl1	12	2 окислитель Cl+5, восстановление
	6O-2 -12e- 3O02		1 восстановитель O-2, окисление

Поскольку в молекулу кислорода входят 2 атома, коэффициенты должны быть чётными.

3. Реакции внутримолекулярного самоокисления и самовосстановления (реакции диспропорционирования)

6	7	4
3K2 MnO4	2H2O 2K MnO4	MnO2	4KOH

Mn6 -1e- Mn7		2	2 восстановитель Mn+6, окисление
			1 окислитель Mn+6, восстановление
Mn6 2e- Mn4
Пример более сложной реакции:
3	5				5	6	2
3As2 S3	28H NO3	4H2O 6H3 AsO4 9H2				S O4	28 NO
2As3 - 4e- 2As5				3	восстановитель As+3 и S-2,
3S-2 - 24e- 3S 6		28			окисление
N5 3e- N2				28 окислитель N+5, восстановление

73

СПЕЦИФИКАЦИЯ ТЕСТА ПО ХИМИИ ПО ТЕМЕ «ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ»

1.Назначение теста: контроль самостоятельной работы студентов по теме: « Реакции окисления-восстановления».

2.Перечень объектов контроля (виды знаний и умений, контролируемых заданиями теста).

2.1.Знать определения степени окисления (валентности), реакций окис- ления-восстановления, понятий окислителя, восстановителя, процесса окисления, процесса восстановления.

2.2.Понимать смысл положительной и отрицательной степени окисления, основных типов окислительно-восстановительных реакций, процессов окисления и восстановления.

2.3.Уметь рассчитывать степени окисления элемента в сложном соединении, расставлять на основании уравнений электронного баланса коэффициенты

вреакциях окисления-восстановления.

3.Перечень элементов содержания темы «Окислительновосстановительные реакции»:

3.1.Степень окисления (положительная и отрицательная).

3.2.Окислители. Процесс восстановления.

3.3.Восстановители. Процесс окисления.

3.4.Реакции окисления-восстановления (межмолекулярные, внутримолекулярные и реакции внутримолекулярного самоокисления и самовосстановления).

4.Структура теста по уровням знаний.

Тест контролирует три уровня знаний (умений):

–1 уровень – воспроизведение (определений, формул и т.п.);

–2 уровень – применение знаний в стандартной ситуации;

–3 уровень – применение знаний в нестандартной ситуации (выполнение действий, требующих дополнительной ориентировки, при нестандартной формулировке заданий и т.п.).

5. Используется две формы задания:

–открытая форма, число заданий в открытой форме – 2 (1,2);

–закрытая форма с выборочными ответами–одно задание(3).

6.Каждый вариант содержит три задания: 1 и 2 задания сравнительно просты, 3-е требует применения уравнений электронного баланса.

7.Общее число вариантов теста 15.

Время выполнения теста – академический час.

Для оценки правильности ответов целесообразно использовать следующую шкалу:

Задание 1 – 2 балла. Задание 2 – 2 балла.

74

Задание 3 – 6 баллов.

Максимальная сумма баллов 10. Предлагаются следующие критерии расчета по пятибалльной системе:

0 – 4 балла – неудовлетворительно;

5 – 6 баллов – удовлетворительно;

7 – 8 баллов – хорошо;

9 – 10 баллов – отлично.

ВАРИАНТЫ ТЕСТА

Вариант 1

1.Исходя из степени окисления азота и серы в соединениях NH3, HNO3, H2S, H2SO3, H2SO4, определите, какие из них могут быть только окислителями, только восстановителями и какие проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства. Ответы иллюстрируйте электронными уравнениями.

2.Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисления или восстановления – происходит при следующих превращениях:

As-3 As N+3 N-3 S-2 S0

3. В молекулярном уравнении реакции в растворе

Na2SO3 + KMn04 + H2O Na2SO4 + MnO2 + KOH

сумма коэффициентов равна

1) 23 2) 13 3) 18 4) 26

4. В молекулярном уравнении реакции в растворе

HNO3 + Ca NH4NO3 + Ca(NО3)2 + H2O

сумма коэффициентов в левой части уравнения равна

1) 28	2)	22	3)	14	4) 8
5. Число электронов, которое принимает 1 ион окислителя в окислитель-
но-восстановительной реакции
FeSO4 + KClO3 + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + KCl + Н2О ,
равно
1) 12	2)	5	3)	2	4) 6

Вариант 2

1. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между следующими веществами: а) H2S, и HJ; б) H2S и H2SO3; в) H2SO3 и HClO4? Дать ответ, аргументированный электронными уравнениями.

75

2. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисления или восстановления – происходит при следующих превращениях

Cl- Cl+	Al+3 Al0		Cr+6 Cr+3
3. В молекулярном уравнении реакции в раствор
FeSO4 + KMnO4 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + MnSO4 +K2SO4 + H2O
сумма коэффициентов равна
1) 72	2) 24	3) 20	4) 36

4. В молекулярном уравнении реакции в растворе

P + HNO3 + H2O H3PO4 + NO

сумма коэффициентов в левой части уравнения равна

1)	10	2) 18	3)	35	4) 64
5. Число электронов, которое принимает 1 моль окислителя в окисли-
тельно-восстановительной реакции
Zn + NaNO3 + NaOH + H2O NH3 + Na2[Zn(OH)4]
равно
1)	3	2) 5	3)	4	4) 8

Вариант 3

1. Исходя из степени окисления хлора в соединениях HCl, HClO3, HClO4, определите, какое из них является только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Ответ аргументируйте электронным уравнением.

2. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисления или восстановления – происходит при следующих превращениях:

Bi+5 Bi-3 W+3 W+6 Pb+4 Pb+2

3. В молекулярном уравнении реакции в растворе

Cd + KMnO4 + H2SO4 CdSO4 + K2SO4 + MnSO4 + H2O

сумма коэффициентов в левой части уравнения равна

1)	31	2) 15	3) 12	4) 16
4. В молекулярном уравнении реакции в растворе
AsH3 + HClO3 H3AsO4 + HCl
сумма коэффициентов равна
1)	35	2) 14	3) 7	4) 28
5. Число электронов, которое отдают 2 моля восстановителя в окисли-
тельно-восстановительной реакции равно
Al + K2Cr2O7 + H2SO4 Al2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + H2O + K2SO4
равно
1)	2	2) 4	3) 5	4) 6

76

Вариант 4

1.Исходя из степени окисления марганца и фосфора в соединениях MnO2, MnCl2, KMnO4, PH3, H3PO4, определите, какие из них могут быть только восстановителями и какие могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Ответ иллюстрируйте электронными уравнениями.

2.Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисления или восстановления – происходит при следующих превращениях:

J2 2J -		Fe+6 Fe0	S-2 S+4
3. В молекулярном уравнении реакции в растворе
Na2S + Na2Cr2O7 + H2SO4 S + Na2SO4 + + Cr2(SO4)3 + H2O
сумма коэффициентов равна
1) 18	2) 26	3) 35	4) 11

4. В молекулярном уравнении реакции в растворе

Cr2O3 + KClO3 + KOH K2CrO4 + KCl +H2O

сумма коэффициентов в левой части уравнения равна

1)	6	2)	11	3) 17	4)	22
5. В молекулярном уравнении реакции в растворе
Au + HCl + HNO3 AuCl3 +NO + H2O
сумма коэффициентов равна
1)	14	2) 36		3) 5	4)	9

Вариант 5

1.Исходя из степени окисления фосфора в приведенных формулах ве-

ществ P, P2O5, PH3, H3PO4, H3PO3, определите, какое из них может проявлять только окислительные свойства, только восстановительные и какое проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему?

2.Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисления или восстановления – происходит при следующих превращениях:

Mn+6 Mn+2	Cl+5 Cl-	Sb-3 Sb0
3. В молекулярном уравнении реакции в растворе

MnS + HNO3 разб. Mn(NO3)2			+ S + NO + H2O
сумма коэффициентов в левой части уравнения равна
1) 11	2)	23	3) 42	4) 27
4. В молекулярном уравнении реакции в растворе
As2O3 + HNO3 конц. + H2O H3AsO4 + NO2
сумма коэффициентов равна
1) 39	2)	6	3) 12	4) 24

77

5. В молекулярном уравнении реакции в растворе

Se + Cl2 + H2O H2SeO4 + HCl

сумма коэффициентов в левой части уравнения равна

1) 8	2) 7	3) 11	4) 15
		Вариант 6
1. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции меж-
ду следующими веществами:
а) NaOCl и KJ	б) H2S и AsH3		в) Na2Cr2O7 и Na3AsO3
Ответ аргументируйте электронными уравнениями.
2. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисле-
ния или восстановления – происходит при следующих превращениях:
Se+6 Se-2		Ge+2 Ge+4	Cr+3 Cr0
3. В молекулярном уравнении реакции в растворе :
KMnO4 + SnSO4 + H2SO4 K2SO4 + MnSO4 + Sn(SO4)2 + H2O
сумма коэффициентов равна
1) 62	2) 18	3) 31	4) 36

4. В молекулярном уравнении реакции в растворе

Fe + HNO3 сильно разб. Fe(NO3)3 + NH4NO3 + H2O

сумма коэффициентов в левой части уравнения равна

1)	58	2) 90	3) 38	4) 76
5. В молекулярном уравнении реакции растворе
MnS + HNO3 конц. MnSO4 + NO2 + H2O
сумма коэффициентов равна
1)	9	2) 22	3) 35	4) 18

Вариант 7

1.Исходя из степени окисления хрома, йода и серы, определите, какое является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему?

2.Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисления или восстановления – происходит при следующих превращениях:

Se-2 Se+4		Sn+4 Sn+2	Hg0 Hg+2
3. В молекулярном уравнении реакции растворе
KJ + (NH4)2Cr2O7 + H2SO4 J2 + Cr2(SO4)3 + (NH4)2SO4 + K2SO4 + H2O
сумма коэффициентов равна
1) 28	2) 29	3) 14	4) 34

78

4. Число электронов, которое принимает 1 ион окислителя в окислитель- но-восстановительной реакции

Mg + HNO3сильно разб. Mg(NO3)2 + NH3 + H2O

равно
1) 2	2) 5	3) 8	4) 4
5. В молекулярном уравнении реакции растворе

H2S + Cl2 + H2O H2SO4 + HCl

сумма коэффициентов в левой части уравнения равна

1) 8 2) 42 3) 27 4) 9

Вариант 8

1. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции меж-

ду следующими веществами:
а) NH3 и KMnO4		б) HNO2 и HJ	в) HCl и H2Se
Ответ аргументируйте электронными уравнениями.
2. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисле-
ния или восстановления – происходит при следующих превращениях:
J- J+5	Fe+6	+ Fe+4	n+4 + n+2
3. В молекулярном уравнении реакции растворе
K2Cr2O7 + H3PO3 + H2SO4 Cr2(SO4)3+ H3PO4 + K2SO4 + H2O
сумма коэффициентов равна
1) 47	2) 17	3) 9	4) 8
4. В молекулярном уравнении реакции растворе
Zn + H2SO4 конц. ZnSO4 + H2S + H2O
сумма коэффициентов в левой части равна
1) 18	2) 17	3) 27	4) 9
5. Число электронов, которое принимает 1 моль окислителя в окисли-
тельно-восстановительной реакции
J2 + H2O2	HJO3 + H2O
равно
1) 10	2) 5	3) 2	4) 12

Вариант 9

1. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между следующими веществами:

а) PH3 и HBr б) K2Cr2O7, и H3PO3 в) HNO3 и H2S

Дать ответ, аргументированный электронными уравнениями.

79