Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Учебник: Рудзитис Г.Е, Фельдман Ф.Г. Химия: учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 12-е изд. – М.: Просвещение, ОАО “Московские учебники”, 2009. – 191 с

Цель: сформировать представление учащихся о окислительно-восстановительных процессах, их механизме

Ожидаемые результаты

Предметные:

В ходе работы учащиеся

приобретут

  • способность анализировать и объективно оценивать жизненные ситуации, связанные с химией, навыками безопасного обращения с веществами, используемыми в повседневной жизни; умением анализировать и планировать экологически безопасное поведение в целях сохранения здоровья и окружающей среды
  • умение устанавливать связи между реально наблюдаемыми химическими явлениями и процессами, объяснять причины многообразия веществ, зависимость свойств веществ от их строения;

овладеют научным подходом к составлению уравнению окислительно-восстановительных реакций

Метапредметные

В ходе работы учащиеся смогут

  • определять понятия, создавать обобщения, устанавливать аналогии, классифицировать, самостоятельно выбирать основания и критерии для классификации, устанавливать причинно-следственные связи, строить логическое рассуждение, умозаключение (индуктивное, дедуктивное и по аналогии) и делать выводы;
  • создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, модели и схемы для решения учебных и познавательных задач;
  • применять экологическое мышление в познавательной, коммуникативной, социальной практике и профессиональной ориентации

Личностные

В ходе работы учащиеся приобретут

  • основы экологической культуры соответствующей современному уровню экологического мышления, опыт экологически ориентированной рефлексивно-оценочной и практической деятельности в жизненных ситуациях;

2.1. Химическая реакция. Условия и признакипротекания химических реакций. Химическиеуравнения.

2.2. Классификация химических реакций по изменению степеней окисления химических элементов

2.6. Окислительно-восстановительные реакции. Окислитель и восстановитель.

Умения и виды деятельности, проверяемые КИМ ГИА

Знать/понимать

  • химическую символику: формулы химических веществ, уравнения химических реакций
  • важнейшие химические понятия:, степень окисления, окислитель и восстановитель, окисление и восстановление, основные типы реакций в неорганической химии

1.2.1. характерные признаки важнейших химических понятий

1.2.2. о существовании взаимосвязи между важнейшими химическими понятиями

Составлять

2.5.3. уравнения химических реакций.

Форма проведения: урок с использованием ИКТ, включением парных, индивидуальных форм организации учебно-познавательной деятельности учащихся.

Продолжительность учебного занятия: 45 минут.

Использование педагогических технологий: метод эвристического обучения, обучение в сотрудничестве

Ход урока

I. Проблематизация, актуализация, мотивация – 10 мин.

Фронтальная беседа

  • Что такое атомы и ионы.
  • Чем они отличаются?
  • Что такое электроны?
  • Что такое степень окисления?
  • Как рассчитывается степень окисления?

На доске учащимся предлагается расставить степени окисления в следующих веществах:

Сl 2 O 7 , SO 3 , H 3 PO 4 , P 2 O 5 , Na 2 CO 3 , CuSO 4 , Cl 2 , HClO 4 , K 2 Cr 2 O 7 , Cr 2 (SO 4) 3 , Al(NO 3) 3, CaSO 4 ,

NaMnO 4 , MnCl 2 , HNO 3 , N 2 , N 2 O, HNO 2 , H 2 S, Ca 3 (PO 4) 2

II. Изучение нового материала. Объяснение учителя. 15 мин.

Основные понятия (слайд 2):

Окислительно-восстановительные реакции – это реакции, в которых изменяются степени окисления двух элементов, один из которых является восстановителем, а другой – окислителем

Восстановитель – это тот элемент, который в процессе реакции отдает электроны, и сам при этом окисляется

Окислитель – это тот элемент, который в процессе реакции принимает электроны, и сам при этом восстанавливается

Правила составления окислительно-восстановительных уравнений (слайд 3)

1. Запишем уравнение реакции (слайд 4).

CuS+HNO 3 ->Cu(NO 3) 2 + S + NO+H 2 O

2. Расставим степени окисления всех элементов

Cu +2 S -2 +H +1 N +5 O -2 3 -> Cu +2 (N +5 O -2 3) -1 2 + S 0 + N +2 O -2 +H +1 2 O -2

3. Выделим элементы, которые поменяли степени окисления

Cu +2 S -2 +H +1 N +5 O -2 3 -> Cu +2 (N +5 O -2 3) -1 2 + S 0 + N +2 O -2 +H +1 2 O -2

Видим, что в результате реакции поменяли степени окисления два элемента –

  • сера (S) поменяла полностью (от – 2 до 0 )
  • aзот (N) поменял частично (от +5 до +2 поменял), часть осталась +5

4. Выпишем те элементы, которые поменяли степени окисления и покажем переход электронов (слайд 5.)

CuS -2 +HN +5 O 3 -> Cu(N +5 O 3) 2 + S 0 + N +2 O+H 2 O

S -2 - 2e S 0

5. Составим электронный баланс, найдем коэффициенты

6. Подставим в уравнение коэффициенты, найденные в балансе (коэффициенты ставятся у веществ, элементы в которых поменяли степень окисления) (слайд 6).

CuS -2 +HN +5 O 3 -> Cu(N +5 O 3) 2 + 3 S 0 + 2 N +2 O+H 2 O

7. Доставим недостающие коэффициенты методом уравнивания

3CuS -2 +8HN +5 O 3 -> 3Cu(N +5 O 3) 2 + 3S 0 + 2N +2 O+4H 2 O

8. По кислороду проверим правильность составления уравнения (слайд 7).

До реакции кислорода 24 атома = После реакции кислорода 24 атома

9. Выдели окислитель и восстановитель и процессы – окисления и восстановления

S -2 (в CuS) является восстановителем, т.к. отдает электроны

N +5 (в HNO 3) является окислителем, т.к. отдает электроны

III. Закрепление изученного материала (25 мин)

Учащимся предлагается выполнить задание в парах.

Задание 1. 10 мин. (слайд 8)

Учащимся предлагается составить уравнение реакции в соответствии с алгоритмом.

Mg+H 2 SO 4 -> MgSO 4 + H 2 S + H 2 O

Проверка задания

4Mg 0 +5H 2 +1 S +6 O 4 -2 -> 4Mg +2 S +6 O 4 -2 + H 2 +1 S -2 + 4H 2 +1 O -2

Переход е – Число электронов НОК Коэффициенты
2 4
1

Задание 2. 15 мин. (слайды 9, 10)

Учащимся предлагается выполнить тест (в парах). Задания теста проверяются и разбираются на доске.

Вопрос № 1

Какое уравнение соответствует окислительно-восстановительной реакции?

  1. CaCO 3 = CaO + CO 2
  2. BaCl 2 + Na 2 SO 4 = BaSO 4 + 2NaCl
  3. Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2
  4. Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O = 2NaHCO 3

Вопрос № 2

В уравнении реакции 2Al + 3Br 2 =2AlBr 3 коэффициент перед формулой восстановителя равен

Вопрос № 3

В уравнении реакции 5Сa + 12HNO 3 = 5Ca(NO 3) 2 + N 2 + 6H 2 O окислителем является

  1. Ca(NO 3) 2
  2. HNO 3
  3. H 2 O

Вопрос № 4

Какая из предложенных схем будет соответствовать восстановителю

  1. S 0 > S -2
  2. S +4 -> S +6
  3. S -2 > S -2
  4. S +6 -> S +4

Вопрос № 5

В уравнении реакции 2SO 2 + O 2 -> 2 SO 3 сера

  1. окисляется
  2. восстанавливается
  3. ни окисляется, ни восстанавливается
  4. и окисляется, и восстанавливается

Вопрос № 6

Какой элемент является восстановителем в уравнении реакции

2KClO 3 -> 2KCl + 3O 2

  1. калий
  2. кислород
  3. водород

Вопрос № 7

Схема Br -1 -> Br +5 соответствует элементу

  1. окислителю
  2. восстановителю
  3. и окислителю, и восстановителю

Вопрос № 8

Соляная кислота является восстановителем в реакции

  1. PbO 2 + 4HCl = PbCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O
  2. Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
  3. PbО + 2HCl = PbCl 2 + H 2 О
  4. Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl+ CO 2 + H 2 O

Ответы на вопросы теста .

номер вопроса 1 2 3 4 5 6 7 8
ответ 3 1 3 2 1 3 2 1

Домашнее задание: параграф 5 упр. 6,7,8 стр. 22 (учебник).

Тема урока «Окислительно- восстановительные реакции».

Цели:

Обучающие: п ознакомить учащихся с новой классификацией химических реакций по признаку изменения степеней окисления элементов- с окислительно-восстановительными реакциями(ОВР). Сформировать понятие об окислительно - восстановительных реакциях, как химических реакциях по признаку изменения степени окисления элементов. Дать понятия «Окислитель» и «восстановитель». Охарактеризовать единство и неразрывность процессов окисления и восстановления , научить учащихся расставлять коэффициенты методом электронного баланса.

Развивающие: п родолжить формирование умений составлять уравнения химических реакций. Способствовать расширению кругозора обучающихся, развитию умений и навыков применения полученных знаний для объяснения явлений окружающего мира. Продолжить развитие логического мышления, умений анализировать и сравнивать. Совершенствовать практические умения и навыки работы с лабораторным оборудованием и химическими реактивами; дополнить знания учащихся о правилах работы в химическом кабинете. Развивать умение наблюдать, делать выводы.

Воспитательные: с пособствовать формированию культуры межличностного общения на примере умения слушать друг друга, задавать вопросы друг другу, анализировать ответы товарищей, прогнозировать результат работы, оценивать свою работу. Формировать научное мировоззрение учащихся, совершенствовать трудовые навыки.

Тип урока: изучение нового материала.

Дидактические цели: создать условия для осознания и осмысления блока новой учебной информации.

Форма урока: урок - дискуссия с элементами проблемного обучения.

Методы обучения: объяснительно - иллюстративный, проблемный, частично - поисковый.

Ход урока

    Организационный момент.

Путешествие в прошлое:

Учитель: В III веке до н.э. на острове Родос был построен памятник в виде огромной статуи Гелиоса (у греков Бог Солнца).Грандиозный замысел и совершенство исполнения Колосса Родосского – одного из чудес света- поражали всех, кто его видел.(показ колосса на слайде).Мы не знаем точно, как выглядела статуя, но известно, что она была сделана из бронзы и достигла в высоту около 33 м. Статуя была создана скульптором Харетом, на ее строительство ушло 12 лет. Бронзовая оболочка крепилась к железному каркасу. Полую статую начали строить снизу и, по мере того как она росла, заполняли камнями, чтобы сделать ее устойчивее.Примерно через 50 лет после завершения строительства Колосс рухнул. Во время землетрясения он переломился на уровне колен. Ученые считают причиной недолговечности этого чуда стала коррозия металла, а основе процесса коррозии лежат окислительно- восстановительные реакции. Запишите в тетради тему урока: «Окислительно - восстановительные реакции».

Итак, сегодня на уроке мы с вами познакомимся с окислительно - восстановительными реакциями и выясним, в чём отличие обменных реакций от окислительно - восстановительных реакций. Научимся определять в реакциях окислитель и восстановитель. Научимся составлять схемы процессов отдачи и принятия электронов.

    Актуализация знаний.

Для начала, давайте вспомним, что такое степень окисления и как определяется степень окисления в простых и сложных веществах.

Степень окисления- это условный заряд атома в соединении. Степень окисления совпадает с валентностью, но в отличие от валентности степень окисления бывает отрицательной.

Правила определения степеней окисления:

1. У свободных атомов и у простых веществ степень окисления равна 0:

Na, H 2 , N 2 , S, Al, F 2 .

2. Металлы во всех соединениях имеют положительную степень окисления (ее максимальное значение равно номеру группы):

а) у металлов главной подгруппы I группы +1;

б) у металлов главной подгруппы II группы +2;

в) у алюминия +3.

3. В соединениях кислород имеет степень окисления -2

(исключение O +2 F 2 и пероксиды: H 2 O 2 -1 ; K 2 O 2 -1 ).

4. В соединениях с неметаллами у водорода степень окисления +1, а с металлами -1.

5. В соединениях сумма степеней окисления всех атомов равна 0.

H +1 Cl -1 H 2 +1 S -2 H 2 +1 S +6 O 4 -2

1 - 1 = 0 (2 · 1) - 2 = 0 (1 · 2) + 6 - (2 · 4) = 0

    Изучение новой темы.

В 8 классе вы познакомились с реакциями соединения, разложения, замещения и обмена. В основу этой классификации химических реакций положены число и состав исходных и образующихся веществ. Рассмотрим химические реакции с точки зрения окисления (отдачи электронов) и восстановления (присоединения электронов) атомов элементов. Над знаками химических элементов проставим их степени окисления.

Изменились ли степени окисления элементов в этих реакциях?

В первом уравнении степени окисления элементов не изменились, а во втором изменились – у меди и железа.

Вторая реакция относится к окислительно-восстановительным.

Реакции, в результате которых изменяются степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ и продуктов реакции, называют окислительно-восстановительными реакциями ( ).

В окислительно-восстановительных реакциях электроны от одних атомов, молекул или ионов переходят к другим. Процесс отдачи электронов называется окисление .

H 2 0 - 2ē 2H + 2Br - - 2ē Br 2 0 S -2 - 2ē S 0

Процесс присоединения электронов называется восстановление :

Mn +4 + 2ē Mn +2 S 0 + 2ē S -2 Cr +6 +3ē Cr +3

Атомы или ионы, которые в данной реакции присоединяют электроны являются окислителями , а которые отдают электроны - восстановителями .

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Существуют два метода составления окислительно - восстановительных реакций - метод электронного баланса и метод полуреакций. Здесь мы рассмотрим .
В этом методе сравнивают степени окисления атомов в исходных веществах и в продуктах реакции, при этом руководствуемся правилом: число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, присоединённых окислителем.
Для составления уравнения надо знать формулы реагирующих веществ и продуктов реакции. Рассмотрим этот метод на примере.

Алгоритм составления уравнений ОВР методом электронного баланса:

    Составить схему реакции.

Al + HCl → AlCl 3 + H 2

    Определить степени окисления элементов в реагентах и продуктах реакции.

Al 0 + H +1 Cl -1 → Al +3 Cl 3 -1 + H 2 0

    Определить, является реакция окислительно-восстановительной или она протекает без изменения степеней окисления элементов.

Эта реакция является ОВР

    Подчеркнуть элементы, степени, окисления которых изменяются.

Al 0 + H +1 Cl -1 → Al +3 Cl 3 -1 + H 2 0

    Определить, какой элемент окисляется, (его степень окисления повышается) и какой элемент восстанавливается (его степень окисления понижается), в процессе реакции.

Al 0 → Al +3 окисляется

H +1 → H 2 0 восстанавливается

    В левой части схемы обозначить с помощью стрелок процесс окисления (смещение электронов от атома элемента) и процесс восстановления (смещение электронов к атому элемента)

Al 0 – 3 ē → Al +3 процесс окисление

2 H +1 + 2 ē → H 2 0 процесс восстановление

    Определить восстановитель и окислитель.

Al 0 – 3 ē → Al +3 восстановитель

2 H +1 + 2 ē → H 2 0 окислитель

    Сбалансировать число электронов между окислителем и восстановителем.

    Al 0 – 3 → Al +3

    2H +1 + 2 ē → H 2 0

    Определить коэффициенты для окислителя и восстановителя, продуктов окисления и восстановления.

    Al 0 – 3 → Al +3

    х 2

    2H +1 + 2 ē → H 2 0

    х 3

    Расставить коэффициенты перед формулами окислителя и восстановителя.

2 Al + 6 HCl → 2 AlCl 3 + 3 H 2

    Проверить уравнение реакции.

Посчитаем количество атомов справа и слева, если их будет равное количество – уравнение мы уравняли.

    Закрепление.

№1. Определите степень окисления атомов химических элементов по формулам их соединений: H 2 S , O 2 , NH 3 , HNO 3 , Fe , K 2 Cr 2 O 7

№2. Определите, что происходит со степенью окисления серы при следующих переходах: H 2 S → SO 2 → SO 3

№3. Расставьте коэффициенты в УХР методом электронного баланса, укажите процессы окисления (восстановления), окислитель (восстановитель); запишите реакции в полном и ионном виде:

А) Zn + HCl = H 2 + ZnCl 2

Б) Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu

№4. Даны схемы уравнений реакций :
С uS + HNO 3 ( разбавленная ) = Cu(NO 3 ) 2 + S + NO + H 2 O

K + H 2 O = KOH + H 2
Расставьте коэффициенты в реакциях используя метод электронного баланса.
Укажите вещество - окислитель и вещество - восстановитель.

    Домашнее задание: п 1, упр.1, 6 стр 7.


Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) - реакции, сопровождающиеся присоединением или отдачей электронов, или перераспределением электронной плотности на атомах (изменение степени окисления).

Стадии ОВР

Окисление - отдача электронов атомами, молекулами или ионами. В результате степень окисления повышается. Восстановители отдают электроны.

Восстановление - присоединение электронов. В результате степень окисления понижается. Окислители принимают электроны.

ОВР - сопряженный процесс: если есть восстановление, то есть и окисление.

Правила ОВР

Эквивалентный обмен электронов и атомный баланс.

Кислая среда

В кислой среде высвобождающиеся оксид-ионы связываются с протонами в молекулы воды; недостающие оксид-ионы поставляются молекулами воды, тогда из них высвобождаются протоны.

Там, где не хватает атомов кислорода, пишем столько молекул воды, сколько не хватает оксид-ионов.

Сера в сульфите калия имеет степень окисления +4, марганец в перманганате калия имеет степень окисления +7, серная кислота - среда протекания реакции.
Мараганец в высшей степени окисления - окислитель, следовательно, сульфит калия восстановитель.

Примечание: +4 - промежуточная степень окисления для серы, поэтому она может выступать как восстановителем, так и окислителем. С сильными окислителями (перманганат, дихромат) сульфит является восстановителем (окисляется до сульфата), с сильными восстановителями (галогенидами, халькогенидами) сульфит окислитель (восстанавливается до серы или сульфида).

Сера из степени окисления +4 переходит в +6 - сульфит окисляется до сульфата. Марганец из степени окисления +7 переходит в +2 (кислая среда) - перманганат ион восстанавливается до Mn 2+ .

2. Составляем полуреакции. Уравниваем марганец: Из перманганата высвобождаются 4 оксид-иона, которые связываются ионами водорода (кислая среда) в молекулы воды. Таким образом, 4 оксид-иона связываются с 8 протонами в 4 молекулы воды.

Другими словами, в правой части уравнения не хватает 4 кислорода, поэтому пишем 4 молекулы воды, в левой части уравнения - 8 протонов.

Семь минус два - плюс пять электронов. Можно уравнивать по общему заряду: в левой части уравнения восемь протонов минус один перманганат = 7+, в правой части марганец с зарядом 2+, вода электронейтральна. Семь минус два - плюс пять электронов. Все уравнено.

Уравниваем серу: недостающий оксид-ион в левой части уравнения поставляется молекулой воды, из которой впоследствии высвобожается два протона в правую часть.
Слева заряд 2-, справа 0 (-2+2). Минус два электрона.

Умножаем верхнюю полуреакцию на 2, нижнюю на 5.

Сокращаем протоноы и воду.

Сульфат ионы связываются с ионами калия и марганца.

Щелочная среда

В щелочной среде высвобождающиеся оксид-ионы связываются молекулами воды, образуя гидроксид-ионы (OH - группы). Недостающие оксид-ионы поставляются гидроксо-группами, которых надо брать в два раза больше.

Там, где не хватает оксид-ионов пишем гидроксо-групп в 2 раза больше, чем не хватает, с другой стороны - воду .

Пример. Используя метод электронного баланса, составить уравнение реакции, определить окислитель и восстановитель:

Определяем степень окисления:

Висмут (III) с сильными окислителями (например, Cl 2) в щелочной среде проявляет восстановительные свойства (окисляется до висмута V):

Так как в левой части уравнения не хватает 3 кислородов для баланса, то пишем 6 гидроксо-групп, а справа - 3 воды.

Итоговое уравнение реакции:

Нейтральная среда

В нейтральной среде высвобождающиеся оксид-ионы связываются молекулами воды с образованием гидроксид-ионов (OH - групп). Недостающие оксид-ионы поставляются молекулами воды. Из них высвобождаются ионы H + .

Используя метод электронного баланса, составить уравнение реакции, определить окислитель и восстановитель:

1. Определяем степень окисления: сера в персульфате калия имеет степень окисления +7 (является окислителем, т.к. высшая степень окисления), бром в бромиде калия имеет степень окисления -1 (является восстановителем, т.к. низшая степень окисления), вода - среда протекания реакции.

Сера из степени окисления +7 переходит в +6 - персульфат восстанавливается до сульфата. Бром из степени окисления -1 переходит в 0 - бромид ион окисляется до брома.

2. Составляем полуреакции. Уравниваем серу (коэффициент 2 перед сульфатом). Кислород уравнен.
В левой части заряд 2-, в правой части заряд 4-, присоединено 2 электрона, значит пишем +2

Уравниваем бром (коэффициент 2 перед бромид-ионом). В левой части заряд 2-, в правой части заряд 0, отдано 2 электрона, значит пишем -2

3. Суммарное уравнение электронного баланса.

4. Итоговое уравнение реакции: Сульфат ионы связываются с ионами калия в сульфат калия, коэффициент 2 перед KBr и перед K 2 SO 4 . Вода оказалась не нужна - заключаем в квадратные скобки.

Классификация ОВР

  1. Окислитель и восстановитель - разные вещества
  2. Самоокислители, самовосстановители (диспропорционирование, дисмутация) . Элемент в промежуточной степени окисления.
  3. Окислитель или восстановитель - среда для прохождения процесса
  4. Внутримолекулярное окисление-восстановление . В состав одного и того же вещества входят окислитель и восстановитель.
    Твердофазные, высокотемпературные реакции.

Количесвеннная характеристика ОВР

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал, E 0 - электродный потенциал относительно стандартного водородного потенциала. Больше об .

Для прохождения ОВР необходимо, чтобы разность потенциалов была больше нуля, то есть потенциал окислителя должен быть больше потенциала восстановителя:

,

Например:

Чем ниже потенциал, тем сильнее восстановитель; чем выше потенциал, тем сильнее окислитель.
Окислительные свойства сильнее в кислой среде, восстановительные - в щелочной.

На уроке рассматривается сущность окислительно-восстановительных реакций, их отличие от реакций ионного обмена. Объясняются изменения степеней окисления окислителя и восстановителя. Вводится понятие электронного баланса.

Тема: Окислительно-восстановительные реакции

Урок: Окислительно-восстановительные реакции

Рассмотрим реакцию магния с кислородом. Запишем уравнение этой реакции и расставим значения степеней окисления атомов элементов:

Как видно, атомы магния и кислорода в составе исходных веществ и продуктов реакции имеют различные значения степеней окисления. Запишем схемы процессов окисления и восстановления, происходящих с атомами магния и кислорода.

До реакции атомы магния имели степень окисления, равную нулю, после реакции - +2. Таким образом, атом магния потерял 2 электрона:

Магний отдает электроны и сам при этом окисляется, значит, он является восстановителем.

До реакции степень окисления кислорода была равна нулю, а после реакции стала -2. Таким образом, атом кислорода присоединил к себе 2 электрона:

Кислород принимает электроны и сам при этом восстанавливается, значит, он является окислителем.

Запишем общую схему окисления и восстановления:

Число отданных электронов равно числу принятых. Электронный баланс соблюдается.

В окислительно-восстановительных реакциях происходят процессы окисления и восстановления, а значит, меняются степени окисления химических элементов. Это отличительный признак окислительно-восстановительных реакций .

Окислительно-восстановительными называют реакции, в которых химические элементы изменяют свою степень окисления

Рассмотрим на конкретных примерах, как отличить окислительно-восстановительную реакцию от прочих реакций.

1. NaOH + HCl = NaCl + H 2 O

Для того чтобы сказать, является ли реакция окислительно-восстановительной, необходимо расставить значения степеней окисления атомов химических элементов.

1-2+1 +1-1 +1 -1 +1 -2

1. NaOH + HCl = NaCl + H 2 O

Обратите внимание, степени окисления всех химических элементов слева и справа от знака равенства остались неизменными. Значит, эта реакция не является окислительно-восстановительной.

4 +1 0 +4 -2 +1 -2

2. СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О

В результате данной реакции степени окисления углерода и кислорода поменялись. Причем углерод повысил свою степень окисления, а кислород понизил. Запишем схемы окисления и восстановления:

С -8е =С - процесс окисления

О +2е = О - процесс восстановления

Чтобы число отданных электронов было равно числу принятых, т.е. соблюдался электронный баланс , необходимо домножить вторую полуреакцию на коэффициент 4:

С -8е =С - восстановитель, окисляется

О +2е = О 4 окислитель, восстанавливается

Окислитель в ходе реакции принимает электроны, понижая свою степень окисления, он восстанавливается.

Восстановитель в ходе реакции отдает электроны, повышая свою степень окисления, он окисляется.

1. Микитюк А.Д. Сборник задач и упражнений по химии. 8-11 классы / А.Д. Микитюк. - М.: Изд. «Экзамен», 2009. (с.67)

2. Оржековский П.А. Химия: 9-й класс: учеб. для общеобраз. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. - М.: АСТ: Астрель, 2007. (§22)

3. Рудзитис Г.Е. Химия: неорган. химия. Орган. химия: учеб. для 9 кл. / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§5)

4. Хомченко И.Д. Сборник задач и упражнений по химии для средней школы. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2008. (с.54-55)

5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003. (с.70-77)

Дополнительные веб-ресурсы

1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (видеоопыты по теме) ().

2. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (интерактивные задачи по теме) ().

3. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().

Домашнее задание

1. №10.40 - 10.42 из «Сборника задач и упражнений по химии для средней школы» И.Г. Хомченко, 2-е изд., 2008 г.

2. Участие в реакции простых веществ - верный признак окислительно-восстановительной реакции. Объясните почему. Напишите уравнения реакций соединения, замещения и разложения с участием кислорода О 2 .

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра общей и аналитической химии

Окислительно-восстановительные реакции

Методические указания для выполнения лабораторных и практических занятий

по дисциплинам «Химия», «Неорганическая химия»,

«Общая и неорганическая химия»

Новокузнецк

УДК 544.3(07)

Рецензент

кандидат химических наук, доцент,

зав. кафедрой физхимии и ТМП СибГИУ

А.И. Пошевнева

О-504 Окислительно-восстановительные реакции: метод. указ. / Сиб. гос. индустр. ун-т; сост. : П.Г. Пермяков, Р.М. Белкина, С.В. Зенцова. – Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ 2012. – 41 с.

Приведены теоретические сведения, примеры решения задач по теме «Окислительно-восстановительные реакции» по дисциплинам «Химия», «Неорганическая химия», «Общая и неорганическая химия». Представлены лабораторные работы и разработанные авторским коллективом вопросы для самоконтроля, контрольные и тестовые задания для выполнения контрольной и самостоятельной работы.

Предназначено для студентов первого курса всех направлений подготовки.

Предисловие

Методические указания по химии составлены согласно программе для технических направлений высших учебных заведений, предназначены для организации самостоятельной работы по теме «Окислительно-восстановительные реакции» над учебным материалом в аудиторное и неаудиторное время.

Самостоятельная работа при изучении темы «Окислительно-восстановительные реакции» состоит из нескольких элементов: изучение теоретического материала, выполнение контрольных и тестовых заданий по данному методическому указанию и индивидуальные консультации с преподавателем.

В результате самостоятельной работы необходимо освоить основные термины, определения, понятия и овладеть техникой химических расчетов. К выполнению контрольных и тестовых заданий следует приступать только после глубокого изучения теоретического материала и тщательного разбора примеров типовых заданий, приведенных в теоретическом разделе.

Авторы надеются, что методические указания позволят студентам не только успешно освоить предложенный материал по теме «Окислительно-восстановительные реакции», но и станут для них полезными в учебном процессе при освоении дисциплин «Химия», «Неорганическая химия».

Окислительно-восстановительные реакции Термины, определения, понятия

Окислительно-восстановительные реакции – это реакции, сопровождающиеся переходом электронов от одних атомов или ионов к другим, другими словами – это реакции, в результате которых изменяются степени окисления элементов.

Степень окисления – это заряд атома элемента в соединении, вычисленный из условного предположения, что все связи в молекуле являются ионными.

Степень окисления принято указывать арабской цифрой над символом элемента со знаком плюс или минус перед цифрой. Например, если связь в молекуле HCl ионная, то водород и хлор ионы с зарядами (+1) и (–1), следовательно
.


Используя выше указанные правила, рассчитаем степени окисления хрома в K 2 Cr 2 O 7 , хлора в NaClO, серы в H 2 SO 4 , азота в NH 4 NO 2:

2(+1) + 2·х + 7(–2) = 0, х = +6;

+1 + х + (–2) = 0, х = +1;

2(+1) + х + 4(–2) = 0, х = +6;

х+4(+1)=+1, у + 2(–2) = –1,

х = –3, у = +3.

Окисление и восстановление. Окислением называется отдача электронов, в результате чего степень окисления элемента повышается. Восстановлением называется присоединение электронов, в результате чего степень окисления элемента понижается.

Окислительные и восстановительные процессы тесно связаны между собой, так как химическая система только тогда может отдавать электроны, когда другая система их присоединяет (окислительно-восстановительная система ). Присоединяющая электроны система (окислитель ) сама восстанавливается (превращается в соответствующий восстановитель), а отдающая электроны система (восстановитель ), сама окисляется (превращается в соответствующий окислитель).

Пример 1. Рассмотрим реакцию:

Число электронов, отдаваемых атомами восстановителя (калия), равно числу электронов, присоединяемых молекулами окислителя (хлора). Поэтому одна молекула хлора может окислить два атома калия. Уравнивая число принятых и отданных электронов, получаем:

К типичным окислителям относят:

    Элементарные вещества – Cl 2 , Br 2 , F 2 , I 2 , O, O 2 .

    Соединения, в которых элементы проявляют высшую степень окисления (определяется номером группы) –

    Катион Н + и ионы металлов в их высшей степени окисления – Sn 4+ , Cu 2+ , Fe 3+ и т. д.

К типичным восстановителям относят:

Окислительно-восстановительная двойственность. Соединения высшей степени окисления , присущей данному элементу, могут в окислительно-восстановительных реакциях выступать только в качестве окислителей, степень окисления элемента может в этом случае только понижаться. Соединения низшей степени окисления могут быть, наоборот, только восстановителями; здесь степень окисления элемента может только повышаться. Если же элемент находится в промежуточной степени окисления, то его атомы могут, в зависимости от условий, принимать электроны, выступая в качестве окислителя или отдавать электроны, выступая в качестве восстановителя.

Так, например, степень окисления азота в соединениях изменяется в пределах от (– 3) до (+5) (рисунок 1):

NH 3 , NH 4 OH только

восстановители

HNO 3 , соли HNO 3

только окислители

Соединения с промежуточными степенями окисления азота могут выступать в качестве окислителей, восстанавливаясь до низших степеней окисления, или в качестве восстановителей, окисляясь до высших степеней окисления

Рисунок 1 – Изменение степени окисления азота

Метод электронного баланса уравнивания окислительно-восстановительных реакций заключается в выполнении следующего правила: число электронов, отданных всеми частицами восстановителей, всегда равно числу электронов, присоединенных всеми частицами окислителей в данной реакции.

Пример 2. Проиллюстрируем метод электронного баланса на примере окисления железа кислородом:
.

Fe 0 – 3ē = Fe +3 – процесс окисления;

O 2 + 4ē = 2O –2 – процесс восстановления.

В системе восстановителя (полуреакция процесса окисления) атом железа отдает 3 электрона (Приложение А).

В системе окислителя (полуреакция процесса восстановления) каждый атом кислорода принимает по 2 электрона – в сумме 4 электрона.

Наименьшее общее кратное двух чисел 3 и 4 равно 12. Отсюда железо отдает 12 электронов, а кислород принимает 12 электронов:

Коэффициенты 4 и 3, записанные левее полуреакций в процессе суммирования систем, умножаются на все компоненты полуреакций. Суммарное уравнение показывает, сколько молекул или ионов должно получиться в уравнении. Уравнение составлено верно, когда число атомов каждого элемента в обеих частях уравнения одинаково.

Метод полуреакций применяется для уравнивания реакций, протекающих в растворах электролитов. В таких случаях в реакциях принимают участие не только окислитель и восстановитель, но и частицы среды: молекулы воды (Н 2 О), Н + и ОН – – ионы. Более правильным для таких реакций является применение электронно-ионных систем (полуреакций). При составлении полуреакций в водных растворах вводят, при необходимости, молекулы Н 2 О и ионы Н + или ОН – , учитывая среду протекания реакции. Слабые электролиты, малорастворимые (Приложение Б) и газообразные соединения в ионных системах записываются в молекулярной форме (Приложение В).

Рассмотрим в качестве примеров взаимодействия сульфата калия и перманганата калия в кислой и щелочной среде.

Пример 3. Взаимодействие сульфата калия и перманганата калия в кислой среде :

Определим изменение степени окисления элементов и указываем их в уравнении. Высшая степень окисления марганца (+7) в KMnO 4 указывает, что KMnO 4 – окислитель. Сера в соединении K 2 SO 3 имеет степень окисления (+4) – это восстановленная форма по отношению к сере (+6) в соединении K 2 SO 4 . Таким образом, K 2 SO 3 – восстановитель. Реальные ионы, в которых находятся элементы изменяющие степень окисления и их исходные полуреакции принимают следующий вид:

Цель дальнейших действий заключатся в том, чтобы в данных полуреакциях вместо стрелок, отражающих возможное направление реакции, поставить знаки равенства. Это можно будет сделать тогда, когда в левой и правой частях каждой полуреакции будут совпадать виды элементов, число их атомов и суммарные заряды всех частиц. Чтобы добиться этого, используют дополнительные ионы или молекулы среды. Обычно это ионы Н + , ОН – и молекулы воды. В полуреакции
число атомов марганца одинаково, однако не равно число атомов кислорода, поэтому в правую часть полуреакции вводим четыре молекулы воды: . Проведя аналогичные действия (уравнивая кислород) в системе
, получаем
. В обеих полуреакциях появились атомы водорода. Их число уравнивают соответствующим добавлением в другой части уравнений эквивалентным числом ионов водорода.

Теперь уравнены все элементы, входящие в уравнения полуреакций. Осталось уравнять заряды частиц. В правой части первой полуреакции сумма всех зарядов равна +2, в то время как слева заряд +7. Равенство зарядов осуществляется добавлением в левой части уравнения пяти отрицательных зарядов в виде электронов (+5 ē). Аналогично, в уравнении второй полуреакции необходимо вычесть слева 2 ē. Теперь можно поставить знаки равенства в уравнениях обеих полуреакций:

–процесс восстановления;

–процесс окисления.

В рассматриваемом примере отношение числа электронов, принимаемых в процессе восстановления, к числу электронов, высвобождающихся при окислении, равно 5 ׃ 2. Для получения суммарного уравнения реакции надо, суммируя уравнения процессов восстановления и окисления, учесть это соотношение – умножить уравнение восстановления на 2, а уравнение окисления – на 5.

Умножая коэффициенты на все члены уравнений полуреакций и суммируя между собой только правые и только левые их части, получаем окончательное уравнение реакции в ионно-молекулярной форме:

Сокращая подобные члены, методом вычитания одинакового количества ионов Н + и молекул Н 2 О, получаем:

Суммарное ионное уравнение записано правильно, есть соответствие среды с молекулярным. Полученные коэффициенты переносим в молекулярное уравнение:

Пример 4. Взаимодействия сульфата калия и перманганата калия в щелочной среде :

Определяем степени окисления элементов, изменяющих степень окисления (Mn +7 → Mn +6 , S +4 → S +6). Реальные ионы, куда входят данные элементы (
,
). Процессы (полуреакции) окисления и восстановления:

2
– процесс восстановления

1 – процесс окисления

Суммарное уравнение:

В суммарном ионном уравнении есть соответствие среды. Переносим коэффициенты в молекулярное уравнение:

Реакции окисления-восстановления делятся на следующие типы:

    межмолекулярного окисления-восстановления;

    самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования);

    внутримолекулярного окисления – восстановления.

Реакции межмолекулярного окисления-восстановления – это реакции, когда окислитель находится в одной молекуле, а восстановитель – в другой.

Пример 5. При окислении гидроксида железа во влажной среде происходит следующая реакция:

4Fe(OH) 2 + OH – – 1ē = Fe(OH) 3 – процесс окисления;

1 О 2 + 2Н 2 О + 4ē = 4OH – – процесс восстановления.

Для того чтобы убедиться в правильности записи электронно-ионных систем необходимо произвести проверку: левая и правая части полуреакций должны содержать одинаковое количество атомов элементов и зарядность. Затем, уравнивая количество принятых и отданных электронов, суммируем полуреакции:

4Fe(OH) 2 + 4OH – + O 2 +2H 2 O = 4Fe(OH) 3 + 4OH –

4Fe(OH) 2 + O 2 +2H 2 O = 4Fe(OH) 3

Реакции самоокисления-самовосстановления (реакции диспропорционирования) – это реакции, в ходе которых часть общего количества элемента окисляется, а другая часть – восстанавливается, характерно для элементов, имеющих промежуточную степень окисления.

Пример 6. При взаимодействии хлора с водой получается смесь соляной и хлорноватистой (НСlО) кислот:

Здесь и окисление и восстановление претерпевает хлор:

1Cl 2 + 2H 2 O – 2ē = 2HClO +2H + – процесс окисления;

1 Cl 2 + 2ē = 2Cl – – процесс восстановления.

2Cl 2 + 2H 2 O = 2HClO + 2HCl

Пример 7 . Диспропорционирование азотистой кислоты:


В данном случае окисление и восстановление претерпевает в составеHNO 2:

Суммарное уравнение:

HNO 2 + 2HNO 2 + H 2 O + 2H + = NO + 3H + + 2NO + 2H 2 O

3HNO 2 = HNO 3 + 2NO + H 2 O

Реакции внутримолекулярного окисления-восстановления – это процесс, когда одна составная часть молекулы служит окислителем, а другая – восстановителем. Примерами внутримолекулярного окисления-восстановления могут быть многие процессы термической диссоциации.

Пример 8. Термическая диссоциация NH 4 NO 2:

Здесь ион NH окисляется, а ион NO восстанавливается до свободного азота:

12NH– 6 ē = N 2 + 8H +

1 2NО + 8Н + + 6 ē = N 2 + 4H 2 O

2NH+ 2NO+ 8H + = N 2 + 8H + + N 2 + 4H 2 O

2NH 4 NO 2 = 2N 2 + 4H 2 O

Пример 9 . Реакция разложения бихромата аммония:

12NH– 6 ē = N 2 + 8H +

1 Сr 2 О + 8Н + + 6 ē = Cr 2 O 3 + 4H 2 O

2NH + Сr 2 О + 8H + = N 2 + 8H + + Cr 2 O 3 + 4H 2 O

(NH 4) 2 Сr 2 О 7 = N 2 + Cr 2 O 3 + 4H 2 O

Окислительно-восстановительные реакции с участием более двух элементов изменяющих степень окисления.

Пример 10. Примером служит реакция взаимодействия сульфида железа с азотной кислотой, где в ходе реакции три элемента (Fe, S, N) изменяют степень окисления:

FeS 2 + HNO 3
Fe 2 (SO 4) 3 + NO + …

Уравнение записано не до конца и использование электронно-ионных систем (полуреакций) позволит закончить уравнение. Рассматривая степени окисления участвующих в реакции элементов, определяем, что в FeS 2 два элемента (Fe, S) окисляются, а окислителем является
(), который восстанавливается до NO:

S –1 → ()

Записываем полуреакцию окисления FeS 2:

FeS 2 → Fe 3+ +

Наличие двух ионов Fe 3+ в Fe 2 (SO 4) 3 предполагает удвоения числа атомов железа при дальнейшей записи полуреакции:

2FeS 2 → 2Fe 3+ + 4

Одновременно уравниваем число атомов серы и кислорода, получаем:

2FeS 2 + 16Н 2 O → 2Fe 3+ + 4
.

32 атома водорода, введением в левую часть уравнения в составе 16 молекул Н 2 О уравниваем добавлением эквивалентного числа ионов водорода (32 Н +) в правую часть уравнения:

2FeS 2 + 16Н 2 O → 2Fe 3+ + 4
+ 32Н +

Зарядность правой части уравнения +30. Для того чтобы в левой части было тоже самое (+30) необходимо вычесть 30 ē:

1 2FeS 2 + 16Н 2 O – 30 ē = 2Fe 3+ + 4
+ 32Н + – окисление;

10 NО + 4Н + + 3 ē = NО + 2H 2 O – восстановление.

2FeS 2 +16Н 2 O+10NО+40Н + = 2Fe 3+ + 4
+ 32Н + + 10NО + 20H 2 O

2FeS 2 +10НNО 3 + 30Н + = Fe 2 (SO 4) 3 + 10NО +
+ 32Н + + 4H 2 O

Н 2 SO 4 +30Н +

Сокращаем обе части уравнения на одинаковое число ионов (30 Н +) методом вычитания и получаем:

2FeS 2 +10НNО 3 = Fe 2 (SO 4) 3 + 10NО + Н 2 SO 4 + 4H 2 O

Энергетика окислительно-восстановительных реакций . Условием самопроизвольного протекания любого процесса, в том числе и окислительно-восстановительной реакции является неравенство ∆G < 0, где ∆G – энергия Гиббса и чем меньше ∆G, т.е. чем больше его отрицательное значение, тем более реакционноспособнее окислительно-восстановительная система. Для реакций окисления-восстановления:

∆G = –n·F·ε,

где n – число электронов, передаваемое восстановителем окислителю в элементарном акте окисления-восстановления;

F – число Фарадея;

ε – электродвижущая сила (Э.Д.С.) окислительно-восстановительной реакции.

Электродвижущая сила окислительно-восстановительной реакции определяется разностью потенциалов окислителя и восстановителя:

ε = Е ок – Е в,

В стандартных условиях:

ε ° = Е ° ок – Е ° в.

Итак, если условием самопроизвольного протекания процесса является неравенство ∆G ° < 0, то это возможно, когда n·F·ε ° > 0. Если n и F числа положительные, то необходимо, чтобы ε ° > 0, а это возможно, когда Е ° ок > Е ° в. Отсюда следует, что условием самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции является неравенство Е ° ок > Е ° в.

Пример 11. Определите возможность протекания окислительно-восстановительной реакции:

Определив степени окисления элементов, изменяющих степень окисления, запишем полуреакции окислителя и восстановителя с указанием их потенциалов:

Сu – 2ē = Сu 2+ Е ° в = +0,34 В

2Н + + 2ē = Н 2 Е ° ок = 0,0 В

Из полуреакций видно, что Е ° ок < Е ° в, это говорит о том, что рассматриваемый процесс термодинамически невозможен (∆G ° > 0). Данная реакция возможна только в обратном направлении, для которого ∆G ° < 0.

Пример 12. Рассчитайте энергию Гиббса и константу равновесия реакции восстановления перманганата калия сульфатом железа (II).

Полуреакции окислителя и восстановителя:

2 Е ° ок = +1,52В

5 2Fe 2+ – 2 ē = 2Fe 3+ Е ° в = +0,77 В

∆G ° = –n·F·ε ° = –n·F(Е ° ок – Е ° в),

где n = 10, так как восстановитель отдает 10 ē, окислитель принимает 10 ē в элементарном акте окисления-восстановления.

∆G ° = –10·69500(1,52–0,77) = –725000 Дж,

∆G ° = –725 кДж.

Учитывая, что стандартное изменение энергии Гиббса связано с ее константой равновесия (К с) соотношением:

∆G ° = –RTlnК с или n·F·ε = RTlnК с,

где R = 8,31 Дж·моль –1 ·К –1 ,

F
96500 Кл·моль –1 , Т = 298 К.

Определяем константу равновесия для данной реакции, проставив в уравнении постоянные величины, переведя натуральный логарифм в десятичный:

К с = 10 127 .

Полученные данные говорят о том, что рассматриваемая реакция восстановления перманганата калия реакционноспособна (∆G ° = – 725 кДж), процесс протекает слева направо и практически необратима (К с = 10 127).