ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления. Степень окисления (СО) - определяется как условный заряд атома в соединении, вычисленный, исходя из предположения, что соединение состоит из ионов. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ 1. Степень окисления элемента в простом веществе, например, в металле или в простой молекуле равна нулю (Н 2, N 2, O 3 ) 2. Некоторые элементы имеют постоянную степень окисления: – элементы I, II-ой групп, главных подгрупп периодической системы Менделеева, соответственно для I: +1, для II: +2, – фтор F –1, – алюминий Al +3, – цинк Zn +2
– кислород O –2 / Исключение: – водород H: +1 / Исключение: гидриды ПРАВИЛО: В целом молекула электронейтральна. Сумма произведений степеней окисления элемента на количество этого элемента в химическом соединении, равна нулю для молекулы или заряду иона в молекулярном ионе количество катионов (+) = количеству анионов (–) Задание: рассчитать степень окисления атома азота в соединениях KNО 2 и HNО 3.
Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ ОВР – единый процесс, состоящий из двух полуреакций: Полуреакции окисления Полуреакции восстановления идущих одновременно ОКИСЛЕНИЕ: процесс потери электронов атомом, молекулой или ионом ОКИСЛИТЕЛЬ: вещество, атомы, молекулы или ионы которого принимают электроны
ВОССТАНОВЛЕНИЕ: процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом ВОССТАНОВИТЕЛЬ: вещество, атомы, молекулы или ионы которого отдают электроны ОКИСЛИТЕЛЬ восстанавливается Восстановитель ОКИСЛЯЕТСЯ СО↑ СО↓
ТИПЫ ОВР 1. Межмолекулярные ОВР - реакции с изменением СО атомов в молекулах разных веществ 2. Внутримолекулярные ОВР – реакции с изменением СО разных атомов в составе одной молекулы
3. Реакции диспропорционирования – реакции с изменением СО одинаковых атомов в молекуле одного вещества 4. Реакции конпропорционирования – при реакции атомы одного элемента, находящиеся в разных СО, переходят к общей (промежуточной) СО
ТИПИЧНЫЕ ОКИСЛИТЕЛИ Простые вещества, образуемые атомами VI А и VII А групп с высокой электроотрицательностью (О 2, С l 2, Br 2 ). Вещества, содержащие элементы в высших и промежуточных СО в виде ионов ( Fe +3, KMnO 4, H 2 SO 4, KClO 4 ). Перекисные соединения ( H 2 O 2, K 2 O 2 ) ТИПИЧНЫЕ ВОССТАНОВИТЕЛИ Простые вещества, атомы которых имют низкую электроотрицательность ( Na, K, Li) Катионы металлов в низких СО ( Fe 2+ ) Простые анионы ( S 2-, Cl -, Br - ) Кислородсодержащие анионы с элементом в низшей СО ( NO 2 -, SO 3 - )
Вещество в промежуточной степени окисления может вести себя и как окислитель: и как восстановитель:
ПРОТЕКАНИЕ ОВР ЗАВИСИТ ОТ рН СРЕДЫ 1. Кислотная среда Фиол. б/ц. 2. Нейтральная среда Фиол. бурый 3. Щелочная среда Фиол. зеленый
Уравнивание ОВР основано на том, что число отданных и принятых ē должно быть одинаковым. Порядок уравнивания ОВР: 1. Находим элементы которые меняют СО; 2. Составляем уравнения полуреакций окисления и восстановления; 3. Уравниваем число отданных и принятых ē с помощью коэффициентов; 4. Выставляем коэффициенты перед окислителем и восстановителем в молекулярном уравнении; 5. Уравниваем элементы которые не меняли СО. Метод электронного баланса
ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ M M n+ - - - - - + + + + Раствор двойной электрический слой Пластинку металла М погрузим в волу или раствор Небольшая часть металла в результате гидратации переходит в раствор в виде ионов М n+ При этом пластинка металла приобретает отрицательный заряд РЕЗУЛЬТАТ: 1. На границе металл- раствор устанавливается равновесие M +mH 2 O [M(H 2 O) m ] n+ +nē 2. Катионы металла в растворе концентрируются у поверхности отрицательно заряженной пластины. 3. Образуется двойной электрический слой 4. На границе металл-раствор возникает скачок электрического потенциала
Скачок потенциала на границе металл-раствор электролита называют ЭЛЕКТРОДНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ - Е [ В ] Величина электродного потенциала зависит от : - природы вещества концентрации вещества температуры Ур. Нернста ᵠ - электродный потенциал ᵠ 0 – стандартный электродный потенциал R – универсальная газовая постоянная Т – температура F – постоянная Фарадея (9,64 × 10 4 Кл/моль) n – число электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе.
СТАНДАРТНЫЙ ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ( ᵠ 0 ) – потенциал данного электродного процесса при концентрациях каждого из участвующих веществ 1 моль/л Стандартный электродный потенциал определяется экспериментально относительно стандартного водородного электрода
Направление ОВР Количественной характеристикой окислительно-восстановительных процессов являются нормальные окислительно-восстановительные потенциалы окислителей и восстановителей или стандартные потен- циалы электродов. ᵠ 0 окислителя > ᵠ 0 восстановителя окислительно-восстановительная реакция протекает в прямом направлении
Состоит из медной пластины, погруженной в раствор CuSО 4, и цинковой пластины, погруженной в раствор ZnSО 4. Электроды соединены металлическим проводником, а растворы – солевым мостиком. Солевой мостик – это трубка, заполненная концентрированным раствором электролита с равными или близкими подвижностями анионов и катионов (например, КCl). Один конец трубки погружён в раствор ZnSO 4, другой – CuSO 4. Гальванический элемент Даниэля-Якоби
При погружении металлического проводника в раствор, содержащий катионы того же самого металла, устанавливается динамическое равновесие между катионами М n+, находящимися в растворе, и атомами М на поверхности электрода: М n+ + ne ⇔ М 0 На границе электрод – раствор образуется разность потенциалов - двойной электрический слой.
При работе элемента Даниэля – Якоби протекают следующие процессы: реакция окисления цинка Zn 0 – 2 ē → Zn 2+ Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами 2) реакция восстановления ионов меди Сu 2+ + 2 ē → Сu 0 Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называют катодами
3) движение электронов во внешней цепи; 4) движение ионов в растворе: Анионы SO 4 2- → к аноду ; Катионы Cu 2+, Zn 2+ → к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента. Сумма электродных реакций: Zn 0 + Cu 2+ = Сu 0 + Zn 2+ - токообразующая ОВР
ТАКИМ ОБРАЗОМ: если ОВР в электрохимической цепи протекает самопроизвольно, то такая цепь называется гальваническим элементом. Гальванические элементы находят применение в качестве химических источников тока. Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС). ЭДС – максимальное напряжение электрического поля, соответствующее обратимому протеканию ОВР реакции при при работе гальванического элемента
ЭДС гальванического элемента равна разности равновесных потенциалов положительного электрода (катода) и отрицательного электрода (анода).
