Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственный технический университет

Окислительно-восстановительные реакции

Методические указания

к выполнению лабораторных работ и решению задач

по дисциплине «Общая и неорганическая химия»

для студентов всех специальностей

всех форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

государственного

технического университета

2008

Цель работы: проведение качественных опытов, раскрывающих окислительные и восстановительные свойства отдельных веществ. Приобретение навыков составления окислительно-восстановительных уравнений методом электронного баланса.

Общие указания к выполнению лабораторных работ

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью курса общей химии, одним из важнейших звеньев учебно-педагогического процесса. При изучении химии как науки, основанной на эксперименте, выполнение лабораторных работ ― обязательный элемент учебного процесса. Выполнение лабораторных работ укрепляет знания в данной области, развивает у студентов экспериментаторские навыки и самостоятельность. Приступая к выполнению лабораторной работы, необходимо изучить основные теоретические положения по выполняемой теме, представлять цель и план проведения работы, принять меры предосторожности.

При выполнении лабораторной работы необходимо записать в рабочий дневник тему работы, указать цель опыта, сформулировать его теоретическое обоснование, записать наблюдения, уравнения протекающих реакций, сделать выводы.

Правила техники безопасности

1. К любой работе следует приступать только тогда, когда все этапы ее известны и не вызывают сомнений.

2. Работать в химической лаборатории нужно аккуратно, без спешки. На рабочем столе должны находиться только необходимые приборы и рабочий дневник.

3. Для защиты одежды от действия химических реактивов необходимо работать в халате.

4. Все опыты с ядовитыми веществами, концентрированными кислотами, летучими и едкими веществами проводить только в вытяжном шкафу, открыв дверцу шкафа на 1/3.

5. Не следует пользоваться реактивами, если они хранятся в посуде без этикеток.

6. Нельзя выливать в раковину остатки кислот, щелочей и огнеопасных веществ: их нужно сливать в специально предназначенные склянки, находящиеся в вытяжном шкафу.

7. При разбавлении концентрированной серной кислоты вливать кислоту в воду (а не наоборот) небольшими порциями, помешивая.

8. Запрещается работать с огнеопасными веществами вблизи включенных горелок или электрических приборов.

9. Нельзя выбрасывать в раковину непрореагировавшие остатки металлов.

10. Горячие жидкости нельзя выливать в тонкостенную посуду.

11. Во избежание ранения осколками стекла следует соблюдать меры предосторожности при работе со стеклянной посудой.

12. Не допускать попадания кислоты или щелочи на руки! При попадании кислоты на кожу обожженное место промойте большим количеством проточной воды, а затем обработайте разбавленным раствором (1-3%-ным) бикарбоната натрия. При попадании щелочи на кожу вначале также промойте проточной водой, а затем разбавленным раствором (3%-ным) уксусной или борной кислоты.

13. При термическом ожоге кожу следует обмыть спиртом, а затем смазать мазью от ожогов.

14. При попадании реактивов в глаза следует промыть их струей воды и обратиться к врачу.

15. При отравлении газами необходимо обеспечить пострадавшему приток свежего воздуха.

Пренебрежение требованиями техники безопасности в работе может привести к несчастным случаям, жертвами которых часто становятся не сами нарушители, а их товарищи по работе. Все работающие в лаборатории должны уметь оказывать первую помощь при ожогах и отравлениях.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Степень окисления элементов и сущность окислительно-восстановительных явлений

Окислительно-восстановительные реакции имеют очень широкое распространение и являются чрезвычайно важными для обмена веществ в живых организмах, для многих промышленных процессов, связанных с получением химических веществ. Они имеют огромное значение в теории и практике.

Окислительно-восстановительные реакции - это такие реакции, которые протекают с изменением степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ.

Например,

NaOH + HCl = NaCl + H₂O ― реакция идет без изменения степени окисления. Такого типа реакции называются обменными.

Zn⁰+ HCl^- = H₂⁰ + Zn²⁺Cl₂ – реакция протекает с изменением степени окисления, следовательно, это окислительно-восстановительная реакция (ОВР).

Zn⁰ - 2e ® Zn²⁺ 1 восстановитель, окисление

2H⁺ + 2e ® H₂⁰1 окислитель, восстановление

Сущность окислительно-восстановительных процессов состоит в переходе валентных электронов от восстановителя к окислителю. При окислительно-восстановительных реакциях одновременно протекают два взаимосвязанных процесса: окисление и восстановление.

Окисление ― это процесс отдачи электрона. Этот процесс сопровождается повышением степени окисления элемента. Вещество, отдающее электрон, называется восстановителем.

Восстановление ― это процесс присоединения электронов. Этот процесс сопровождается понижением степени окисления элемента. Вещество, принимающее электрон, является окислителем.

Состояние атома в молекуле характеризуется с помощью понятия «степени окисления».

Под степенью окисления понимают заряд атома элемента в соединении, вычисленный из предположения о том, что молекула состоит только из ионов.

Степень окисления ― понятие условное, т.к. большинство соединений не являются ионами, чаще встречаются соединения с ковалентной связью. Степень окисления ― величина переменная. Вычисление степени окисления производится на основании того, что молекула любого вещества в целом электронейтральна, т.е. алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Степень окисления атома обозначается арабскими цифрами со знаком (+) или (–) после цифры.

В простых веществах (О₂, Н₂, N₂) степень окисления элемента всегда равна нулю, так как в этих соединениях электронная плотность равномерно распределена между атомами в молекуле и не наблюдается одностороннего оттягивания электронных пар, участвующих в образовании химических связей. В простейших ковалентных соединениях значение положительной степени окисления элемента соответствует числу оттянутых от атома связывающих электронных пар, а величина отрицательной степени окисления ― числом притянутых электронных пар.

В соединениях некоторые элементы проявляют всегда постоянную степень окисления, но для большинства элементов она в различных соединениях различна. В каждом конкретном случае степень окисления рассчитывается по формуле соединения.

Для определения степени окисления элементов в химических соединениях следует руководствоваться следующими положениями:

1. Постоянную степень окисления имеют щелочные металлы (+1), щелочноземельные металлы (+2), фтор (-1). Для водорода в большинстве соединений характерна степень окисления 1+, а в гидридах металлов и в некоторых других соединениях она равна 1-. Кислород в соединениях проявляет главным образом степень окисления 2-, к исключениям относятся пероксидные соединения, степень окисления кислорода в которых равна 1-, и фторид кислорода OF₂, в котором она равна 2+.

2. Так как молекула электронейтральна, то алгебраическая сумма степеней окисления атомов элементов с учетом состава молекулы равна нулю.

Принимая во внимание это положение, легко определить степень окисления элементов в соединении. Для этого надо знать формулу соединения и степени окисления других элементов, входящих в состав этого соединения.

Например, необходимо вычислить степень окисления серы в серной кислоте:

Н₂SO₄ (1+)·2 + X + (2-)·4 =0 X=6+

Находим, что степень окисления серы равна 6+.

3. Степень окисления элементов в молекулах простых веществ О₂, Сl₂ и т.п. равна нулю.

4. Степень окисления металлов в атомарном состоянии согласно рентгенографическим исследованиям, установившим равномерное
распределение электронной плотности в них, также равна нулю (Сг, Znи т.п.).

5. Понятие о степени окисления является условным и не всегда характеризует настоящее состояние атомов в соединениях, но оно весьма удобно и полезно при классификации различных соединений, рассмотрении окислительно-восстановительных процессов, предсказания направления течения и продуктов химических реакций и т.д.

Составление уравнений ОВР

Для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций обычно используют два метода:

1) метод электронного баланса,

2) электронно-ионный метод.

При расчете коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях пользуются правилом электронного баланса: суммарное число электронов, теряемых восстановителем, должно быть равно суммарному числу электронов, приобретаемых окислителем.

В данном руководстве мы остановимся на рассмотрении метода электронного баланса.

Метод электронного баланса

Метод электронного баланса основан на определении общего числа электронов, перемещавшихся от восстановителя к окислителю. Для составления уравнения окислительно-восстановительной реакции необходимо, прежде всего, знать химические формулы исходных веществ и получающихся продуктов. Исходные вещества нам известны, а продукты реакции устанавливаются либо экспериментально, либо на основании известных свойств элементов. Участие воды в реакции выясняется при составлении уравнения.