Окислительно-восстановительные реакции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт цветных металлов и материаловедения

Инженерный бакалавриат CDIO

Отчет по лабораторной работе

Окислительно-восстановительные реакции

Красноярск 2015г.

Цель: Изучить окислительно-восстановительные свойства веществ, в зависимости от степени окисления элементов, входящих в их состав. Ознакомится с различными типами окислительно-восстановительных реакций. Изучить влияние серы на протекание окислительно-восстановительных реакций и научиться составлять уравнения этих реакций.

Теоретическое введение:

Окислительно-восстановительными реакциями называются реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ.

Степень окисления - это условный заряд атома в молекуле, вычисленный исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов.

Не стоит путать понятия - степень окисления и валентность. Валентность определяет число связей, образованных данным атомом. Поэтому валентность не имеет знака. Степень окисления (С.О.) может быть положительной, нулевой и отрицательной.

При определении степени окисления атомов в соединении, необходимо учитывать следующее:

1. Водород в подавляющем большинстве соединений (за исключением гидридов металлов NaH, KH, CaH₂ - она равна -1 и т.д.) проявляет степень окисления +1.

2. Кислород во всех соединения (за исключением пероксидов H₂O₂, BaO₂ и др. - она равна -1, и фторида кислорода OF₂ - она равна +2) обладает степенью окисления -2.

3. Степень окисления атомов в простом веществе равна нулю: H^o₂, O ^o₂, Fe^o, Zn^o и др.

4. При подсчете степеней окисления атомов необходимо учитывать, что алгебраическая сумма всех степеней окисления в электронейтральной молекуле равна нулю. Например, подсчитаем степень окисления серы в серной кислоте H₂SO₄. Сначала поставим известные нам степени окисления водорода и кислорода H₂SO^-2₄. Обозначив степень окисления серы через х, составим уравнение:

(+1) * 2 + х + (-2) * 4 = 0, отсюда х = -2 + 8 = +6.

Следовательно, степень окисления серы в серной кислоте равна +6. Алгебраическая сумма степеней окисления атомов в ионе равняется заряду иона. Например, определим степень окисления серы в сульфат-ионе SO^2-₄:

х + (-2) * 4 = -2; х = -2 + 8 = +6.

окислительный сера атом

Окислением называется процесс отдачи электронов атомом или ионом, при этом степень окисления повышается. Вещество, атомы или ионы которого в процессе реакции отдают электроны, называется восстановителем.

Восстановлением называется процесс присоединения электронов атомом или ионом, при этом степень окисления понижается. Вещество, атомы или ионы которого в процессе реакции принимают электроны, называется окислителем.

В зависимости от степени окисления атомы являются окислителями или восстановителями. Только окислительными свойствами обладают атомы, имеющие в соединениях высшую степень окисления. Эти атомы существуют в виде элементарных ионов (H⁺, Hg⁺², Zn⁺² и т.д.) и входят в состав сложных ионов: S⁶⁺ - в виде SO^2-₄, N⁺⁵ в ионе NO^-₃, Mn ⁺⁷ - в ионе MnO^-₄ и др. Из простых веществ только окислительными свойствами обладают F и O, атомы которых имеют наивысшую электроотрицательность. Только восстановительными свойствами обладают ионы типа (Сl^- , Br^-, I^-, Se^-2, Te^-2), а также атомы с низшей степенью окисления, входящие в состав более сложных группировок (N^-3 в NH^-₃, O^2- в H₂O, S^-2 в H₂S и др.). Атомы, находящиеся в промежуточной степени окисления, могут выступать как в роли окислителей, так и восстановителей: N⁺³ - в HNO²₂; N⁺²₂ - в NO; N⁺ - в N₂O; N^o - в N₂;N^-3 - в NH₄OH; S⁺⁴ - в SO₂; S⁺² - в SO; S^o - в S₂.

Наиболее распространенные окислители и восстановители рекомендуется запомнить. Окислители: галогены, KMnO₄, K₂MnO₄, K₂Cr₂O₇, O₂, O₃, H₂O₂, H₂SO₄ (конц.), HNO₃, Ag₂O, PbO₂, ионы Au⁺³, Ag⁺, гипохлориты, хлораты царская водка, электрический ток на аноде.

Восстановители: металлы, водород, углерод, СО, H₂S, SO₂, H₂SO₃, HI, HBr, HCl, SnCl₂, FeSO₄, MnSO₄, NH₃, NO, альдегиды, спирты муравьиная и щавелевая кислота, глюкоза, электрический ток на катоде.

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций производится методом электронного баланса и методом полуреакций (ионно-электронный метод). Обычно различают три типа ОВР: межмолекулярные, внутримолекулярные и самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования).

Молекулярные ОВР - реакции, в которых элемент-окислитель и элемент-восстановитель находятся в разных веществах. Внутримолекулярные ОВР - реакции, в которых элемент-окислитель и элемент-восстановитель находятся в молекуле одного вещества. В реакциях диспропорционирования молекулы одного и того же вещества реагируют друг с другом как окислитель и как восстановитель.

В ОВР необходимо учитывать роль среды. Например: ион MnO^4- в кислой среде восстанавливается до Mn⁺² (бесцветный раствор), в нейтральной среде - до MnO₂ (бурый осадок), а в щелочной - до MnO^-2₄ (зеленый осадок).

Мерой окислительно-восстановительной способности веществ служат их окислительно-восстановительные потенциалы. Чем больше алгебраическая величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала данного атома или иона, тем больше его восстановительные свойства.

Для определения направления окислительно-восстановительной реакции необходимо найти ЭДС гальванического элемента, образованного из данного окислителя и восстановителя. ЭДС (Е) окислительно-восстановительного элемента равна:

Е = ц_ок. - ц_восст.

где ц_ок. - потенциал окислителя

ц_восст. - потенциал восстановителя

Если Е > 0, то данная реакция возможна.

Опыт 1. Окислительно-восстановительные свойства элемента в зависимости от степени его окисления.

Гипотеза: Если высшая степень окисления, то вещество является восстановителем, если низшая- окислителем.

Описание работы:

A.

1). В фарфоровый тигель поместили 2-3 капли раствора нитрата висмута.

2). Добавили 5-6 капель раствора щелочи NaOH.

3). Добавили 4-6 капель бромной воды.

4). Нагрели смесь до образования остатка висмута натрия.

Наблюдали, как из молочно-желтого зернистого раствора, выпал темно-коричневый осадок.

Реакция:

Bi³⁺(NO₃)₂+Br₂+5NaOH>NaBi⁵⁺O₃v+2NaBr ^- +3NaNO₃+3H₂O

Восст-ль - Bi³⁺ +6OH^- +Na⁺ -2e>NaBiO₃v+3H₂O |1

Ок-ль - 2Br⁰₂ +2e>2Br^- |1

Bi³⁺ +6OH+Na⁺ +Br₂>NaBiO3v+3H₂O+2Br

Б.

1). К 2-3 каплям сульфата хрома добавили 3-4 капли серной кислоты.

2). Добавили висмутат калия

Наблюдали изменение цвета раствора со светло-зеленого на оранжевый.

Реакция:

6NaBi⁺⁵O₃+2Cr₂³⁺(SO₄)₃+6H₂SO₄>2H₂Cr₂^2-O₇+3Bi₂³⁺(SO₄)₃+3Na₂SO₄+7H₂O

Ок-ль - 2NaBiO₃+12H⁺ +4e>2Bi³⁺ +2Na⁺ +6H₂O |2

Восст-ль - 2Cr³⁺ + 7H₂O-6e>Cr₂O₇^2- +14H⁺ |2

6NaBiO₃+36 12 H⁺ +4Cr³⁺ +14H₂O>6Bi³⁺ +6Na⁺ +18 4 H2O+2CrO₇+4H⁺

Вывод: В зависимости от степени окисления висмута в соединении, висмут может выступать, как восстановитель, так и как окислитель. Если степень окисления повышается, то является восстановителем, если уменьшается- окислителем.

Опыт 2. Типы окислительно-восстановительных реакций.

Описание работы:

Гипотеза: Межмолекулярные реакции окислителения-восстановления - это реакции, в ходе которых переход электронов происходит между частицами различных веществ. В выше рассматриваемых реакциях окислитель и восстановитель находятся в разных веществах

Диспропорционирования - когда атомы или ионы одного и того и того же элемента , содержащиеся в одной молекуле, являются и окислителем и восстановителем.

Внутримолекулярные - когда окислитель и восстановитель одно и тоже вещество, но изменяют степень окисления в нем атомы различных элементов.

Компропорционированния - реакции в которых участвуют два вещества, cодержащие атомы одного и того же элемента в разных степенях окисления

A. Внутримолекулярный

1). Внести в пробирку диоксид свинца.

2). Добавить 10 капель конц. гидроксида натрия .

3). Нагрели пробирку.

4). Внесли 2 капли сульфата хрома

С черного (темного) раствора цвет изменился на ярко желтый.

Реакция:

Pb⁺⁴O₂+Cr₂³⁺(SO₄)₃+NaOH>Na₂CrO₄+Pb²⁺SO4+H2O

PbO₂+4H⁺ +2e>Pb²⁺ +2H₂O |2

2Cr₃+ +8H₂O -6e>2CrO₄^2- +16H⁺ |1

3PbO₂+12H+ 12OH^- +2Cr³⁺ +8H₂O>3Pb₂+ +6H2O+2GrO₄^2-+16H⁺ +16OH^-

3PbO₂+Cr₂(SO₄)₄+4NaOH>2Na₂Cr₄+3PbSO₄+2H₂O

Б. Компропорционированния

1).Внесли в пробирку 5-6 капель тиосульфата натрия.

2).Добавили 3-4 капли серной кислоты.

Раствор молочно-белого цвета, по запаху, выделялась сера.

Реакция:

Na₂S₂O₃+H₂SO₄>H₂S₂O₃+Na₂SO₄+3HSO2+H2O

S₂O₃^2- +6H⁺ +4e>2S⁰+3H₂O |1

S₂O₃^2-+H₂O-4e>2SO₂⁺⁴+2H⁺ |1

2S₂O₃^2-+6 4 H⁺+H₂O>2S+3 2 H2O+2SO₂+2H⁺

H₂S₂O₃>S_т+SO₂^+H₂O

S₂O₃^2-+6H⁺ +4e>2S+3H₂O |1

S₂O₃^2-+H₂O-4e>2SO₂⁴⁺+2H⁺ |1

2S₂O₃^2- + 6 4 H⁺+H₂O>2S+2 3 H₂O+2SO₂+2H⁺

2H₂S₂O₃>2Sv+2SO₂^+H₂O

В. Диспропорционирование

1).В пробирку добавить 5-6 капель нитрита калия.

2).Добавить 2-3 капли раствора серной кислоты.

Начал выделяться бурый газ.

Реакция:

KNO₂+H₂SO₄>K2SO4+NO2^+NO^+H2O

NO₂^--1e>NO₂ |1

NO₂^- +2H⁺+1e>NO+H₂O |1

2NO₂+2H⁺>NO₂^+NO^+H₂O

2KNO2+H2SO4>K2SO4+NO2^+NO^+H2O

4K⁺³NO₂>2K₂⁺O+2N₂+3O₂

Опыт 3. Влияние среды на протекание окислительно-восстановительных реакций.

Гипотеза: На характер протекания окислительно - восстановительной реакции между одними и теми же веществами влияет среда.

Описание работы:

1).В две пробирки добавить по 5-6 капель раствора перманганат калия.

2). Добавить пол-микрошпателя цинковой пыли .

3).В одну пробирку добавить раствор кислоты, в другую раствор щелочи.

4). Перемешать и дать осесть переизбытку цинка.

В той пробирке, куда добавили щелочь(А), образовался зеленоватый раствор. А в той, где кислота(Б), выпал серый зернистый осадок и раствор прозрачный.

Реакция:

А.(Среда щелочная)

Zn+KMnO₄+KOH>K₂[Zn(OH)₄]+K2MnO4

Zn⁰+4OH^--2e>[Zn(OH)₄]^2- |1

MnO₄^---1e>MnO₄^2- |2

Zn+4OH^-+2MnO₄^-> [Zn(OH)₄]^2-+2MnO₄^2-

Zn+2KMnO₄+4KOH>2K₂MnO₄+K₂[Zn(OH)₄]

Б. (Среда кислая)

Zn+KMnO₄+H₂SO₄>ZnSO₄+MnSO4+K2SO4+H2O

Zn0-2e>Zn2+ |5

MnO₄^-+8H⁺+e>Mn²⁺+2H₂O |2

5Zn⁰+2MnO₄^-+16H+>5Zn²⁺+8H₂O

5Zn+2KMnO₄+8H₂SO₄>5ZnSO₄+2MnSO₄+K₂SO₄+8H₂O

Вывод: гипотеза доказана.

Размещено на Allbest.ru