---

---

Курсова работа

Окислително-редукционни процеси

2007 г.

Съдържание

 

1. Същност на процеса. 3

2. Записване на ОРП.. 6

Литература. 9

 

1. Същност на процеса

 

Исторически понятието Окислително Редукционен Процес (ОРП) е възникнало при изучаване на реакциите, в които участва елементът кислород.

При свързване на елементите с кислорода се казва, че те се окисляват, а самият процес се нарича ОКИСЛЕНИЕ. При отнемане на кислород от дадено съединение (най-често оксид), последното се редуцира, а процесът се нарича РЕДУКЦИЯ. Елементът, който отнема кислорода, се нарича РЕДУКТОР.

Така например при взаимодействието на мед Cu с кислород се получава меден оксид:

2Cu   +   О₂   =   2CuО

Това е процес на Окисление на Редуктора мед - Cu от Окислителя - кислород, тъй като става свързване на кислорода в съединение.

Противоположен е процесът на взаимодействие на медния оксид с водород:

 

CuО   +   Н₂   =   Cu   +   Н₂О

Тук водородът е Редуктор, тъй като отнема кислорода от съединението и се окислява до вода. Окислител е медният оксид, от който се отнема кислорода. Процесът се нарича Редукция, поради това че протича с отнемане на кислород.

Причината за извършване на горните процеси се състои в следното: Кислородният атом е силно електроотрицателен, поради което има много изразена склонност да приема валентните електрони на други атоми и да се превръща в отрицателен йон. Същевременно тези атоми, които са загубили електрони се превръщат в положително заредени йони. Така например процесът на окисление на медта може да се запише по следния начин:

4е

                                                                      _{2+     2-}

2Cu   +  О₂   =   2CuО

По-детайлно процесът на обмен на електрони може да бъде записан по следния начин:

2Cu    - 4е  ®   2Cu²⁺

О₂    +  4е  ®   2О^2-

По аналогичен начин може да бъде записан и процеса на редукция на медния оксид от водорода:

 

 2е

CuО   +  Н₂   =   Cu   +   Н₂О

или по-детайлно:

Н₂    - 2е  ®   2H⁺

Cu²⁺  +  2е  ®   Cu

Много съществен извод, който може да се направи от подробния запис на тези процеси е, че при тях винаги става обмен на електрони между редуктора и окислителя, като редукторът отдава електрони, а окислителят приема електрони, но системата като цяло остава електронеутрална. Следователно броят на отдадените електрони от редуктора трябва да бъде равен на броя на приетите електрони от окислителя.

По-късно обаче се оказало, че много химични процеси протичат с преход на електрони, без това да е свързано с участието на кислородните атоми. Следователно по-важният белег на ОРП е не участието на кислорода, а преходът на електрони.

Във връзка с това една по-обща дефиниция за ОРП ги определя като процеси, при които се извършва преход на електрони от един вид атоми, йони или молекули към друг вид атоми йони или молекули.

Окислението е процес при който се отдават електрони, а веществото което ги отдава се нарича Редуктор.

Редукцията е процес при който се приемат електрони, а веществото което ги приема се нарича Окислител.

Една много удобна условна скала за процесите окисление и редукция може да се даде със следната схема:

 

 е   (електрони)

                                           

Окислител           Редуктор

редуцира се         окислява се

 

 

понижава положителната       повишава положителната  си валентност

си валентност (степен на                             (степен на окисление)

окисление)

 

 

 

отдаване на е  от Редуктора - процес Окисление

 

условна скала на

валентността            …   -3      -2     -1     0      +1     +2      +3   …    

                                    

приемане на е от Окислителя - процес Редукция

 

Всяко вещество, което участва в ОРП има две форми - окислена (означена за краткост Окс (или Ox) и редуцирана - означена за краткост Ред (или Red). Те образуват редокс-система, в която Окс  и Ред са спрегнати чрез електрони:

Окс     +     nе            Ред           Редукция (на Окс)

или :     Ред     -     nе            Окс           Окисление (на Ред)

n - брой на пренесените електрони

Физическата същност на ОРП и всички усложнения, свързани с изравняването на уравненията на химическите реакции на тези процеси, произтичат от факта, че електронът има малка маса и относително голям заряд (-1).

Следователно не може реално да има само процес на Окисление или само процес на Редукция.

На практика двата процеса протичат едновременно, за което са необходими поне две системи или две редокс-двойки: Окс₁, Ред₁ и Окс₂, Ред₂:

 

I-ва система ( 1 )       Окс₁    +     n₁е              Ред₁          процес Редукция

II-ра система ( 2 )       Ред₂    -     n₂е              Окс₂          процес Окисление

 

Следователно написаните по-горе уравнения (1) и (2) са уравнения на полуреакции, които реално не могат да съществуват поради изтъкнатите по-горе особености на електрона като елементарна частица.

Реалният процес е процес на обмен на електрони между двете редокс-системи (или редокс-двойки), при който не трябва да остават свободни  електрони в системата.

Тъй като броят на приетите електрони от окислителя (n₁) в най-общия случай не е равен  на броя на отдадените от редуктора електрони   (n₂), т. е. n₁ ¹ n₂, то се налага съставянето на електронен баланс, намирането на най-малкото общо кратно на броя на обменените електрони (n₁.n₂) и съответно определянето на броя на молекулите на изходните вещества и на продуктите - т. нар. стехиометрични коефициенти на реакцията.

Следователно един ОРП се изравнява по два признака:

 

1) Баланс на зарядите или електронен баланс и

2)     Материален баланс на изходните вещества и на продуктите, който е следствие от електронния баланс.

Реалният окислително-редукционен процес представлява сумиране на двете полуреакции (1) и (2) в съответствие с двата признака за изравняване на реакцията и в общия случай може да се запише по следния начин:

 

Окс₁    +     n₁е         Ред₁                   .n₂      

   n₁ . n₂             +

Ред₂    -     n₂е         Окс₂                   .n₁

 

n₂.Окс₁  +   n₁.Ред₂   +   n₁.n₂е   -  n₁.n₂е           n₂.Ред₁   +   n₁.Окс₂

или:

n₂.Окс₁  +   n₁.Ред₂             n₂.Ред₁   +   n₁.Окс₂

 

2. Записване на ОРП

 

На практика, при записване на конкретен ОРП независимо от неговата сложност е препоръчително да се спазват следните правила:

1.      Записват се формулите на всички изходни вещества и на получените продукти. Например:

 

KMnO₄  +  FeSO₄  +  H₂SO₄  =  K₂SO₄  +  MnSO₄  +  Fe₂(SO₄)₃  +  H₂O

2.      Определят се атомите или йоните, които променят валентността си или по-просто и по-удобно степента си на окисление и въз основа на това се определя окислителя и редуктора в ОРП:

 

Mn⁷⁺  +  5е  ®   Mn²⁺              Mn⁷⁺      е        Окислител

Fe²⁺  -   1е  ®    Fe³⁺               Fe²⁺       e        Редуктор                    

3.      Записват се уравненията на електронния преход:

 

Mn⁷⁺  +  5е  ®   Mn²⁺             

2Fe²⁺  -   2е  ®  2Fe³⁺

            В случая  трябва да се вземат по два йона от йоните на желязото, защото толкова йона участват в молекулата на Fe₂(SO₄)₃ .

4. Съставя се електронен баланс:

а) намира се най-малкото общо кратно (НОК) на отдадените и приетите електрони;

на 2 и 5 НОК = 10

б) определят се допълнителните  множители;

                                   10 : 5 = 2     и   10 : 2 = 5

в) записват се допълнителните множители  до уравненията на електронните преходи:

 

                                   Mn⁷⁺  +  5е  ®   Mn²⁺     .2        

2Fe²⁺  -   2е  ®  2Fe³⁺     .5

5.      Поставят се допълнителните множители като коефициенти в химичното уравнение пред окислителя и редуктора:

 

2KMnO₄  +  10FeSO₄  +  H₂SO₄  =  K₂SO₄  +  2MnSO₄  +  5Fe₂(SO₄)₃  +  H₂O

 

6.      Изчисляват се и се записват останалите коефициенти, при изричното условие да не се променят коефициентите пред окислителя и редуктора, за да не се наруши електронния баланс:

 

2KMnO₄  +  10FeSO₄  +  8H₂SO₄  =  K₂SO₄  +  2MnSO₄  +  5Fe₂(SO₄)₃  +  H₂O

 

7.      Извършва се проверка на материалния баланс, което най-често става или по кислорода или по водорода, с което ОРП окончателно е изравнен и по двата признака:

2KMnO₄  +  10FeSO₄  +  8H₂SO₄  =  K₂SO₄  +  2MnSO₄  +  5Fe₂(SO₄)₃  +  8H₂O

 

Аналогично на утаечните процеси и киселинно-основните взаимодействия, ОРП  също могат да се записват с пълни и съкратени йонни уравнения, което значително опростява техния запис. Принципът при това е също аналогичен: записват се само тези йони, които претърпяват някаква промяна при обмяна на електрони, както и молекулите на новообразуваните вещества (най-често на водата). Така например горната реакция може да се запише значително опростено, като се има предвид, че KMnO₄, FeSO₄, H₂SO₄, K₂SO₄, MnSO₄ и Fe₂(SO₄)₃ са разтворими соли и са силни електролити, т. е. пълно дисоциирани.

 

MnO₄^-  +  5Fe²⁺  +  8H⁺   =   Mn²⁺  +  5Fe³⁺  +  4H₂O

Mn⁷⁺  +  5е  ®   Mn²⁺    .1        

Fe²⁺  -    е  ®    Fe³⁺     .5

 

Други примери на йонен запис на ОРП:

 

  4Ca  +  10HNO₃  =  4Ca(NO₃)₂  +  N₂O  +  5H₂O

молекулно уравнение ­

съкратено йонно уравнение ¯

4Ca  +   10H⁺  + 2NO₃^-   =  4Ca²⁺  +  N₂O  +  5H₂O

2N⁵⁺  +8e ®  2N¹⁺    .1

Ca -2e ®  Ca²⁺    .4

4Zn  +  10HNO₃  =  4Zn(NO₃)₂  +  NH₄NO₃  +  3H₂O

молекулно уравнение ­

съкратено йонно уравнение ¯

4Zn  +  9H⁺  + NO₃^-   =   4Zn²⁺ +  3H₂O  +  NH₃ (® NH₄NO₃)

N⁵⁺  +8e ®  N^3-      .1

Zn    -2e ®  Zn²⁺    .4

 

Практически при изравняването на ОРП, особено при натрупване на по-голям опит и техника, цитираните по-горе правила и етапи са по-скоро етапи на логическото разсъждение.

Фактически, абсолютно задължително трябва да се записва електронния баланс, защото той изразява в синтезиран вид както физическата същност на процеса, така и основната част на посочените правила и етапи.

 

 

Литература

 

1.      Сборник Научни Трудове - Природни науки - Химия (сборник); Автор:  доц. Д-р Валерий; Анотация: Сборникът съдържа теми, разделени в две секции: Обща химия и методика;

2.      Ел. Киркова, Обща химия, Унив. изд. "Св. Кл. Охридски", София 2001 г.

3.      Б. Дякова, Обща химия, Унив. изд. "Св. Кл. Охридски", София 1995 г.