Окислительно-восстановительные реакции

Подробная шпаргалка по окислительно-восстановительным реакциям (ОВР): степени окисления, важные окислители и восстановители, методы электронного и электронно-ионного баланса, классификация.

страница находится на стадии проверки

1. Базовые понятия и определение степени окисления

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ.

  • Окислитель — атом/ион, который принимает электроны (его степень окисления понижается). Процесс — восстановление.
  • Восстановитель — атом/ион, который отдает электроны (его степень окисления повышается). Процесс — окисление.

Фундаментальное правило электронного баланса (число отданных электронов равно числу принятых):

$$\sum N_{e^-}^{\text{отданные}} = \sum N_{e^-}^{\text{принятые}}$$

2. Типичные окислители и восстановители

Категория Часто встречающиеся вещества/ионы Переход (полуреакция)
Сильные окислители $\text{KMnO}_4$, $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, $\text{HNO}_3$, $\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ (конц.)}$, $\text{Hal}_2$, $\text{H}_2\text{O}_2$ $\text{MnO}_4^- + 8\text{H}^+ + 5e^- \to \text{Mn}^{2+} + 4\text{H}_2\text{O}$
$\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 14\text{H}^+ + 6e^- \to 2\text{Cr}^{3+} + 7\text{H}_2\text{O}$
Сильные восстановители Щелочные и щелочноземельные металлы, $\text{H}_2$, $\text{C}$, $\text{CO}$, $\text{KI}$, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{NH}_3$ $2\text{I}^- - 2e^- \to \text{I}_2$
$\text{S}^{2-} - 2e^- \to \text{S}^0$
Двойственная природой (ОВ-двойственность) $\text{H}_2\text{O}_2$, $\text{NaNO}_2$, $\text{SO}_2$, $\text{Hal}_2$ (промежуточные степени окисления) Окислитель: $\text{H}_2\text{O}_2 + 2\text{H}^+ + 2e^- \to 2\text{H}_2\text{O}$
Восстановитель: $\text{H}_2\text{O}_2 - 2e^- \to \text{O}_2 + 2\text{H}^+$

3. Зависимость поведения $\text{KMnO}_4$ от среды

Перманганат-ион $\text{MnO}_4^-$ (фиолетовый) восстанавливается разным образом в зависимости от pH раствора:

  • Кислый раствор ($\text{pH} < 7$): образуется практически бесцветный ион $\text{Mn}^{2+}$

    $$\text{MnO}_4^- + 8\text{H}^+ + 5e^- \to \text{Mn}^{2+} + 4\text{H}_2\text{O}$$

  • Нейтральный или слабощелочной раствор ($\text{pH} \approx 7$): выпадает бурый осадок оксида марганца(IV) $\text{MnO}_2$

    $$\text{MnO}_4^- + 2\text{H}_2\text{O} + 3e^- \to \text{MnO}_2\downarrow + 4\text{OH}^-$$

  • Сильнощелочной раствор ($\text{pH} > 7$): образуется зелёный манганат-ион $\text{MnO}_4^{2-}$

    $$\text{MnO}_4^- + e^- \to \text{MnO}_4^{2-}$$

4. Классификация ОВР

Межмолекулярные
Окислитель и восстановитель находятся в разных веществах:

$$2\text{FeCl}_3 + \text{H}_2\text{S} \to 2\text{FeCl}_2 + \text{S}\downarrow + 2\text{HCl}$$

Внутримолекулярные
Атомы окислителя и восстановителя входят в состав одной и той же молекулы:

$$2\text{KClO}_3 \xrightarrow{t^\circ, \text{MnO}_2} 2\text{KCl} + 3\text{O}_2\uparrow$$

Диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление)
Атомы одного и того же элемента в одной степени окисления выступают и окислителем, и восстановителем:

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \to \text{NaClO} + \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$$

($\text{Cl}^0 \to \text{Cl}^{+1} + e^-$ и $\text{Cl}^0 + e^- \to \text{Cl}^{-1}$)

Конпропорционирование (конмутация)
Из разных степеней окисления одного элемента получается одна intermediate степень окисления:

$$\text{SO}_2 + 2\text{H}_2\text{S} \to 3\text{S}\downarrow + 2\text{H}_2\text{O}$$

5. Электролиз как форсированная ОВР

Электролиз — окислительно-восстановительный процесс, протекающий под действием электрического тока.

  • Катод (К⁻): восстановительный процесс (приём $e^-$).

    Пример: $2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \to \text{H}_2\uparrow + 2\text{OH}^-$

  • Анод (А⁺): окислительный процесс (отдача $e^-$).

    Пример: $2\text{Cl}^- - 2e^- \to \text{Cl}_2\uparrow$

Закон Фарадея для массы выделившегося вещества:

$$m = \frac{M \cdot I \cdot t}{z \cdot F}$$

где $M$ — молярная масса, $I$ — сила тока, $t$ — время, $z$ — число переданных электронов, $F \approx 96485 \text{ Кл/моль}$ (постоянная Фарадея).

6. Количественные характеристики (Уравнение Нернста)

Электродный потенциал $E$ зависит от природы системы, температуры и концентраций компонентов:

$$E = E^\circ + \frac{R \cdot T}{z \cdot F} \ln \left( \frac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]} \right)$$

При $T = 298.15 \text{ K}$ и переходе к десятичному логарифму:

$$E = E^\circ + \frac{0.0591}{z} \lg \left( \frac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]} \right)$$

Реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении, если электродвижущая сила (ЭДС) системы положительна:

$$\text{ЭДС} = E_{\text{окислитель}}^\circ - E_{\text{восстановитель}}^\circ > 0$$


Если у вас возникли вопросы, пишите - поможем, чем сможем 🙂.
Quanta Science — индивидуальное обучение онлайн по математике, физике и химии.