Влияние среды на характер окислительно - восстановительных реакций

В зависимости от рН среды меняется характер протекания окислительно-восстановительного процесса между одними и теми же реагентами. Например, взаимодействие восстановителя сульфита натрия Na₂SO₃ с окислителем перманганатом калия KMnO₄ в кислотной (рН < 7), нейтральной (pH = 7) и щелочной (pH >7) среде приводит к образованию различных продуктов:

Na₂SO₃ + K MnO ₄ N a₂SO₄ + Mn SO₄ + K₂SO₄ (pH <7),

Na₂SO₃ + K MnO ₄ Na₂SO₄ + MnO ₂ + KOH (pH =7),

Na₂SO₃ + K MnO ₄ Na₂SO₄ + K₂ MnO ₄ + H₂O (pH >7).

 

Получение различных продуктов объясняется различным поляризующим действием протона (Н⁺), полярных молекул воды и гидроксид-аниона (ОН^-). Максимальное поляризующее действие оказывает протон: внедряясь в анион MnO₄^-, ослабляет связь между марганцем и кислородом, усиливая действие восстановителя, при этом степень окисления марганца изменяется в большей степени от +7 до +2.

Поляризующее влияние диполей воды слабее, чем у протона, а гидроксид-анионы, имея большой радиус иона и малый заряд, практически не оказывают поляризующего действия.

Характер среды оказывает влияние и на направление окислительно-восстановительной реакции. Так, реакция

 

3 J₂ + 3 H₂O 6 H⁺ + JO^-₃ + 5 J^-.

 

в зависимости от характера среды может протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Прибавление к раствору кислоты (понижение рН) вызывает увеличение концентрации ионов Н⁺ и в соответствии с принципом Ле Шателье смещает равновесие в сторону обратной реакции. Прибавление раствора щелочи (повышение рН) смещает равновесие в направлении прямой реакции.

Направление окислительно-восстановительных реакций

Самопроизвольное протекание окислительно-восстановительной реакции определяется неравенством < 0 ( - энергия Гиббса). Если указанная энергия выше нуля ( > 0), то прямая реакция в данных условиях невозможна, а возможна лишь обратная реакция. Энергию Гиббса реакции можно рассчитать, зная стандартные значения реакций образования продуктов и исходных веществ [3].

Рассмотрим для примера направление реакции взаимодействия магния с водой:

Mg_(тв) + H₂O_(ж) MgO_(тв) + H_2(г).

 

Выпишем значения для всех веществ, участвующих в реакции, и рассчитаем изменение энергии Гиббса реакции, используя уравнение

 

.

 

 

Вещества	Mg(тв)	H2O(ж)	MgO(тв)	H2(г)
,кДж/моль	0,0	-237,2	-569,4	0,0

 

Энергия Гиббса реакции при стандартных состояниях равна 296,2 кДж/моль, т.е. в данных условиях возможно окисление магния водой:

Mg + H₂O_(ж) MgO + H_2(г),

 

а обратная реакция окисления водорода оксидом магния невозможна.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Определение понятий: окисление, восстановление, окислитель, восстановитель.

2. Степени окисления элементов в простых и сложных веществах. Высшая, низшая и промежуточные степени окисления элементов. Как отражается изменение степени окисления элемента на его окислительно-восстановительных свойствах? Привести примеры.

3. Критерий самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции.

4. Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции, используя метод электронного баланса:

 

KBr + KBrO₃ + H₂SO₄ Br₂ + K₂SO₄ + H₂O.

 

Литература

 

 

1. Глинка Н.Л. Общая химия. - М: Интеграл-Пресс, 2002. Гл.9. § 9.1-9.3.

2. Коровин Н.В. Общая химия. - М: Высшая школа, 2002. Гл.9. § 9.1.

3. Болячевская К.И., Полякова Е.В. Справочные материалы по общему и элективным курсам /Под ред. проф. И.М.Паписова/; МАДИ (ГТУ). – М., 2004.

Примеры решения задач

Пример 1. Определить степени окисления атомов в следующих соединениях: K₂Cr₂O₇, (SO₃)^2-, CO.

Решение.

_{+1 x -2 x -2 x -2}

K₂Cr₂O₇ (SO₃)^2- CO

2(+1) + 2x +7(-2) = 0 x + 3(-2) = -2 x + (-2) = 0

x = + 6x = + 4x = + 2

 

Пример 2. Какие окислительно-восстановительные процессы происходят при следующих превращениях:

 

Pb Pb²⁺; MnO₄^- MnO₄^2-; Cl₂ 2Cl^- ?

Решение.

1. Определим степени окисления всех элементов:

_{0 +2 +7 -2 +2 -2 0 -1}

Pb Pb²⁺; MnO₄^- MnO₄^2-; Cl₂ 2Cl^-.

 

2. Повышение степени окисления происходит в процессе окисления, а понижение – при восстановлении. Следовательно,

 

Pb Pb²⁺ + 2 (процесс окисления),

MnO₄^- + MnO₄² (процесс восстановления),

Cl₂ + 2 2Cl^- (процесс восстановления).

Пример 3. Составить уравнение окислительно-восстано­вительной реакции, протекающей по схеме:

 

KMnO₄ + H₃PO₃ + H₂SO_{4(среда)} MnSO₄ + H₃PO₄ + K₂SO₄ + H₂O.

Решение. Определяем степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах реакции:

_{+1+ 7 -2 +1 +3 -2 +1 +6 -2 +2 +6 -2 +1 +5 -2 +1 +6 -2 +1 -2}

KMnO₄ + H₃PO₃ + H₂SO₄ MnSO₄ + H₃P O₄ + K₂SO₄ + H₂O.

 

Осуществляем выбор окислителя и восстановителя.

KMnO₄ – окислитель, так как степень окисления марганца в реакции понижается. H₃PO₃ - восстановитель, так как степень окисления фосфора в ходе реакции повышается.

Составляем уравнения электронного баланса для окислителя и восстановителя:

_{+3 +5}

восстановитель 5 Р Р + 2 (процесс окисления)

_{+7 +2}

окислитель 2 Мn + 5 Мn (процесс восстановления)

_{+3 +7 +5 +2}

5 Р⁺³ + 2 Мn⁺⁷ 5 Р+ 2 Мn

 

Стехиометрические коэффициенты определяем методом электронного баланса с помощью электронных уравнений. Общее число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, присоединяемых окислителем. Наименьшее общее кратное для отданных (2) и принятых электронов (5) равно 10. Для восстановителя и продукта его окисления получаем коэффициент 5, для окислителя и продукта его восстановления – коэффициент 2.

Уравнение реакции имеет вид:

2 КМnO₄ + 5 Н₃РО₃, + З Н₂SO₄ 2 МnSO₄ + 5 Н₃РО₄ + К₂SO₄ + З Н₂O.

 

Коэффициенты перед веществами, атомы которых не изменяют свою степень окисления, находим методом подбора.

Число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения одинаковое (8+15+12 = 8+20+4+3), значит, данное уравнение является окончательным.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: