Лаба №8 Реакции окисления и восстановления (1020783)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8.

РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ - ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Работу выполнил_____________________ Работу принял____________________

Дата выполнения_____________________ Отметка о зачете__________________

Введение.

Реакции, связанные с изменением степени окисления атомов в молекулах реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными.

Степень окисления - условный электрический заряд атома в химическом соединении ( вычисленный в предположении, что все электроны, участвующие в образовании химической связи, полностью смещены к более электроотрицательному атому ).

Для определения степени окисления атомов в химическом соединении используют следующие правила:

1. степень окисления атомов в простых веществах (напр.: Na , Cl₂, O₃ ) равна нулю;

2. степень окисления одноатомного иона (напр.: Na⁺, Cl^-, Zn²⁺, Al³⁺ ) равна его заряду;

3. степень окисления металлов всегда положительна;

4. характерные степени окисления в соединениях проявляют следующие элементы:

- щелочные металлы ( +1 ),

- щелочноземельные металлы ( +2 ),

- бор, алюминий ( +3 ), кроме боридов металлов

- фтор ( -1 ), самый электроотрицательный элемент

- водород ( +1 ), кроме гидридов металлов

- кислород ( -2 ), кроме пероксидов, надпероксидов, озонидов, и соединений с фтором;

1. сумма зарядов ( степеней окисления ) всех атомов в молекуле равна нулю ( условие электронейтральности ).

ПРИМЕР 1.

Определить степени окисления атомов в бихромате калия K₂Cr₂O₇

Степень окисления щелочного металла калия ( +1 ), степень окисления кислорода ( -2 ), степень окисления хрома обозначим Х. Составляем уравнение электронейтральности: 2(+1) + 2 Х+7 (-2) = 0.

Решаем уравнение относительно Х : получаем степень окисления хрома ( +6 ).

Процесс повышения степени окисления - отдачи электронов - называется окислением. Процесс понижения степени окисления - присоединение электронов - называется восстановлением.

Вещества, атомы которых окисляются (отдают электроны), называются восстановителями, вещества, присоединяющие электроны - окислителями.

Окислителем может быть вещество, атомы которого способны понижать степень окисления (принимать электроны ), поэтому типичными окислителями являются вещества, содержащие атомы в наивысшей степени окисления. Типичными восстановителями являются вещества, содержащие атомы в низшей степени окисления. Вещества с атомами в одной из промежуточных степеней окисления для данного элемента могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

ПРИМЕР 2.

H₂SO₄ максимальная степень окисления серы (+6): только окислитель

H₂S минимальная степень окисления серы (-2): только восстановитель

H₂SО₃ промежуточная степень окисления серы (+4): и окислитель, и восстановитель.

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Для окислительно-восстановительных реакций, протекающих в водных растворах используют метод ионно-электронных уравнений ( рассмотрим на примере реакции бихромата калия с нитритом натрия в кислой среде ).

Метод ионно-электронных уравнений включает следующий порядок составления уравнений:

1) записываем схему реакции в молекулярной форме:

K₂Cr₂O₇ + NaNO₂ + H₂SO₄  Cr₂(SO₄)₃ + NaNO₃ + K₂SO₄ + H₂O

2) составляем схему реакции в ионно-молекулярной форме по общим правилам ( сильные электролиты записываем в виде ионов, слабые электролиты, газы и осадки - в виде молекул ):

2K⁺ + Cr₂O₇^2- + Na⁺ + NO₂^- + 2H⁺ + SO₄^2-  2Cr³⁺ + 3SO₄^2- + Na⁺ + NO₃^- + 2K⁺ + SO₄^2- + H₂O

3) определяем элементы, изменяющие степени окисления, из ионно-молекулярной схемы реакции выписываем частицы ( выделены ), содержащие атомы этих элементов ( т.е. окислитель и восстановитель ) и составляем схемы отдельно процессов окисления и восстановления:

Cr₂O₇^2-  2 Cr³⁺

NO₂^-  NO₃^-

4) составляем уравнения отдельно процессов окисления и восстановления, пользуясь следующими правилами:

для реакции в кислой среде: в ту часть уравнения, которая содержит меньшее число атомов кислорода, прибавляем эквивалентное число молекул воды, в противоположную часть - удвоенное количество ионов Н⁺;

для реакции в щелочной ( и нейтральной ) среде: в ту часть уравнения, которая содержит меньше атомов кислорода, прибавляем ионы ОН^- из расчета два иона ОН^- на каждый недостающий атом кислорода , в противоположную часть - вдвое меньшее количество молекул воды;

в рассматриваемом случае реакция идет в кислой среде, поэтому получаем:

Cr₂O₇^2- + 14 H⁺  2Cr³⁺ + 7 H₂O

NO₂^- + H₂O  NO₃^- + 2 H⁺

5) рассчитываем суммарный заряд левых и правых частей уравнений и прибавляем необходимое количество электронов в соответствующую часть уравнения с тем, чтобы суммарное число и знак электрических зарядов слева и справа от знака равенства в каждом уравнении были равны:

+12 + 6

х 1 Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6 е^- = 2 Cr³⁺ + 7 H₂O восстановление

х 3 NO₂^- + H₂O = NO₃^- + 2 H⁺ + 2 е^- окисление

- 1 +1

6) подбираем наименьшие коэффициенты для полученных уравнений, руководствуясь тем, что общее число электронов, отдаваемых восстановителем, должно быть равно числу электронов, присоединяемых окислителем; с учетом этих коэффициентов складываем полученные уравнения:

Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 3 NO₂^- + 3 H₂O = 2 Cr³⁺ + 7 H₂O + 3 NO₃^- + 6 H⁺

7) производим сокращение одинаковых членов в левой и правой частях уравнения, при этом получаем сокращенное ионное уравнение заданной реакции:

Cr₂O₇^2- + 8 H⁺ + 3 NO₂^- = 2 Cr³⁺ + 4 H₂O + 3 NO₃^-

8) по полученному ионному уравнению составляем молекулярное уравнение реакции ( расставляем коэффициенты в исходном молекулярном уравнении ):

K₂Cr₂O₇ + 3 NaNO₂ + 4 H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3 NaNO₃ + K₂SO₄ + 4 H₂O

9) проверяем правильность полученных коэффициентов; рекомендуется делать проверку "по кислороду" ( число атомов кислорода в правой и левой частях уравнения должно быть одинаково ).

Направление реакций окисления-восстановления.

Процессы окисления и восстановления неразрывны друг от друга и протекают всегда одновременно. Окислитель, присоединяя электроны, превращается в соответствующий восстановитель, и каждому восстановителю соответствует определенный окислитель. Таким образом, окислитель( О ) и восстановитель ( В ) образуют сопряженную окислительно-восстановительную пару, равновесие между компонентами которой выражается схемой:

О + n e-  B ( *)

Можно сформулировать общий принцип, определяющий окислительно-восстановительные свойства пары О/В: чем сильнее окислитель, тем слабее восстановитель и, наоборот.

Относительная активность различных окислителей и восстановителей количественно характеризуется величиной стандартного электродного потенциала Ео/в*⁾: чем выше значение Ео/в, тем сильнее окислитель и тем слабее восстановитель пары О/В.

Кроме этого, окислительно-восстановительные свойства пары зависят от концентраций окислителя (Со), восстановителя (Св) и температуры в соответствии с уравнением Нернста:

Eо/в = Eо/в + (RT/n) ln Cо/Cв = E + (0.059/n) lg Cо/Cв, ( 1 )

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

*) стандартный электродный потенциал определяется как электродвижущая сила гальванического элемента, построенного из электрода, содержащего компоненты данной окислительно-восстановительной пары при их концентрациях 1моль/л и стандартного водородного электрода, потенциал которого по определению равна нулю.

Окислительно-восстановительные процессы подчиняются общим законам термодинамики, т.е. могут протекать самопроизвольно при выполнении условия: G  0.

Изменение энергии Гиббса реакции связано с ЭДС ( Е ) гальванического элемента, в котором идет данная окислительно-восстановительная реакция, соотношением: G = - n F E , ( 2 )

где F = 96500 Кл/моль - постоянная Фарадея. Учитывая это, условие возможности самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции может быть записано в виде:

Е = Еок - Евос  0 или Еок  Евос ( 3 )

Иными словами , окислительно-восстановительная реакция возможна, если электродный потенциал пары, содержащей данный окислитель, больше электродного потенциала пары, содержащей данный восстановитель.

Значения стандартных электродных потенциалов приводятся в термодинамических таблицах

( см. ПРИЛОЖЕНИЕ ).

ПРИМЕР 3.

Определить возможность протекания реакции между растворами бихромата калия и нитритом натрия ( разобрана в предыдущем разделе ).

Выписываем уравнения отдельно процессов окисления и восстановления и величины электродных потенциалов, соответствующие этим окислительно-восстановительным парам:

окислитель Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6 е^- = 2 Cr³⁺ + 7 H₂O восстановление Е⁰_{Cr O +14H /2Cr +7H O} = 1,33 В

восстановитель NO₂^- + H₂O = NO₃^- + 2 H⁺ + 2 е^- окисление Е⁰ _{NO +2H / NO +H O} = 0,84 В

Сопоставляя значения потенциалов ( см. соотношение 3 ), делаем вывод, что Cr₂O₇^2- более сильный окислитель, чем NO₃^-, следовательно данная реакция может протекать самопроизвольно в прямом направлении.

Экспериментальная часть.

ОПЫТ 1. Окислительные и восстановительные свойства химических соединений.

Рассматривается возможность протекания реакции между перманганатом калия KMnO₄ и двумя соединениями серы Na₂SO₃ и Na₂SO₄ в кислой среде:

1). KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂SO₄

2). KMnO₄ + Na₂SO₄ + H₂SO₄

Протекание реакции фиксируется по изменению фиолетовой окраски раствора.

В 2 пробирки внесите по 3 капли раствора KMnO₄ и 1-2 капли раствора H₂SO₄. В одну пробирку добавьте 4-5 капель раствора Na₂SO₃ , в другую - столько же раствора Na₂SO₄.

1) Отметьте признаки реакции.

2) Определите степени окисления марганца и серы в исследуемых соединениях. Исходя из этого определите роль каждого соединения в реакциях окисления-восстановления и объясните результаты опыта.

3) Методом электронно-ионных уравнений составьте уравнение реакции.

ОПЫТ 2. Направление реакций окисления-восстановления. Вытеснение водорода из кислот.

Рассматривается возможность протекания окислительно-восстановительной реакции вытеснения молекулярного водорода из раствора серной кислоты металлами - цинком и медью.

1). Zn + H₂SO₄ =

2). Cu + H₂SO₄ =

Образование водорода определяется визуально по выделению пузырьков газа.

В одну пробирку поместите гранулу цинка, в другую - медную проволоку или стружку. В обе пробирки добавьте по 5-6 капель раствора ( 1 моль/л ) серной кислоты.

1) Допишите указанные реакции, отметьте признаки реакций и сделайте выводы об их протекании. 2) Напишите электронно-ионные реакции окисления-восстановления для исследуемых металлов и водорода, выпишите значения электродных потенциалов.

3) Сделайте вывод о возможности протекания данных реакций.

4) Сформулируйте общее правило вытеснения металлами водорода из растворов кислот.

ОПЫТ 3. Реакции диспропорционирования.

Реакции диспропорционирования ( самоокисления-самовосстановления ) представляют собой особый тип реакций, в которых и окислителем, и восстановителем являются атомы элементов с промежуточной степенью окисления в молекуле одного и того же вещества.

Рассматривается реакция диспропорционирования пероксида водорода: Н₂О₂ Н₂О + О₂. Кислород в Н₂О₂ находится в промежуточной степени окисления ( -1 ) , поэтому может быть как окислителем, так и восстановителем.

Реакция протекает в присутствии катализатора - диоксида марганца. Протекание реакции определяется по образованию газообразного кислорода, выделение которого вызывает возгорание тлеющей лучинки. Опыт проводится под тягой в присутствии преподавателя.

1) Составьте ионно-электронные уравнения окисления и восстановления пероксида водорода.

2) Выпишите ( см. приложение ) значения стандартных электродных потенциалов окислительно-восстановительных пар, в которые пероксид водорода входит в качестве окислителя и в качестве восстановителя.

3) Сделайте вывод о возможности самопроизвольного разложения пероксида водорода.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы