Примеры решения задач. Укажите степень окисления атомов

Пример 1. Укажите степень окисления атомов в следующих соединениях: HPO₃, H₂W₂O₇, (NH₄)Fe(SO₄)₂.

При выполнении таких заданий необходимо учесть что: а) сумма степеней окисления всех атомов в соединении равна нулю; б) степень окисления атомов таких элементов, как H, O, F, щелочные и щелочноземельные металлы, чаще всего известна и постоянна; в) неизвестна обычно степень окисления одного элемента, у которого она может быть переменной. Таким образом, задача сводится к решению уравнения с одним неизвестным.

H⁺¹P^xO₃^–2 1 + x + (–2 × 3) = 0 x = 5 P⁺⁵

H₂⁺¹W₂^xO₇^–2 (+1 × 2) + 2x + (–2 × 7) = 0 x = 6 W⁺⁶

В тех случаях, когда известны заряды некоторых катионов или анионов, решение упрощается:

(NH₄)⁺Fe^x(SO₄)₂^2– 1 + x + (–2 × 2) = 0 x = 3 Fe⁺³.

(N^xH₄⁺¹)⁺ x + 4 = 1, x = –3 N^–3.

(S^xO₄^–2)^2– x + (–2 × 4) = –2, x = 6 S⁺⁶.

Пример 2. Предположите, какую роль в ОВР могут играть соединения, содержащие атомы элементов в указанной степени окисления: Re⁰, Re⁺⁴, Re⁺⁷, H^–, H⁰, H⁺. Приведите примеры соответствующих соединений.

Согласно положению в периодической системе строение валентного слоя атома Re⁰ 4d⁵5s². Присоединение электронов к атому Re⁰ невозможно, так как рений металл (элемент d-семейства) и в химических процессах может быть только восстановителем (донором электронов).

Заряд +4 на атоме Re означает, что из семи валентных электронов от него оттянуто 4, и на валентном уровне осталось еще 3 электрона. Поэтому соединения Re⁺⁴ в ОВР могут играть роль как окислителя, так и восстановителя, т.е. могут быть как донорами так и акцепторами электронов. Пример соединения – ReO₂

Степень окисления +7 (высшая для рения, т.к. он находится в VII группе периодической системы), указывает на то, что все 7 валентных электронов смещены к более электроотрицательным атомам, поэтому соединения Re⁺⁷ в ОВР могут быть только окислителями (Re₂O₇).

Отрицательный заряд на атоме водорода (H^-) свидетельствует о том, что он притянул к себе электрон другого атома, и теперь на его валентном слое больше электронов, чем в нулевой степени окисления. Т.к. электронное строение атома водорода 1s¹, а Н^– 1s², и больше электронов на первом уровне быть не может, соединения Н^– – только восстановители (CaH₂).

Простое вещество Н₂⁰ может быть и окислителем, и восстановителем, а протон Н⁺ – только окислитель, т.к. он лишен единственного электрона и теперь способен только присоединять их (H₂S).

Пример 3. Укажите тип ОВР для каждой из приведенных схем реакций. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Укажите окислитель и восстановитель.

1) NH₄NO₃ N₂O + H₂O

2) KClO₃ + H₂SO₄ ® KClO₄ + ClO₂ + H₂O + K₂SO₄

3) Na + H₂SO₄ ® Na₂SO₄ + H₂S + H₂O

4) As₂S₃ + HNO₃ ® H₃AsO₄ + SO₂ + NO

Решение. Рассматривая приведенные ниже примеры выполнения заданий, вспомните из школьного курса правила составления ОВР методом электронного баланса. Обратите внимание на форму записи.

1) N^–3H₄⁺N⁺⁵O₃^–2 N₂⁺O^–2 + 2H₂⁺O^–2

2)3K⁺Cl⁺⁵O₃^–2+H₂⁺S⁺⁶O₄^–2_(к)=K⁺Cl⁺⁷O₄^–2+2Cl⁺⁴O₂^–2+H₂⁺O^–2+K₂⁺S⁺⁶O₄^–2

3) 8K⁰ + 5H₂⁺S⁺⁶O₄^–2 = 4K₂⁺S⁺⁶O₄^–2 +H₂⁺S^–2 +4H₂⁺O^–2

Обратите внимание на то, что при взаимодействии металлов с кислотами – окислителями (H₂SO_4(к), HNO₃) последние не только восстанавливаются, но и расходуются на образование соли (без изменения степени окисления), поэтому перед формулой кислоты-окислителя ставится суммарный коэффициент. В нашем примере один атом S⁺⁶ восстановился до S^–2, и еще четыре атома S⁺⁶ не изменили степени окисления, поэтому перед формулой H₂SO₄ коэффициент 5.

Пример 4. Составьте уравнения полуреакций с учетом среды. Укажите название процесса.

Последовательность действий при составлении уравнений полуреакций:

Пример 5. Расставьте коэффициенты в приведенной схеме ОВР, пользуясь методом полуреакций.

PbO₂+Mn(NO₃)₂+HNO₃®HMnO₄+Pb(NO₃)₂+…

В схеме ОВР подчеркнем формулы частиц, изменивших заряд или состав.

С учетом того, что процесс протекает в кислой среде, составим ионные уравнения полуреакций окисления и восстановления. Здесь, как и при составлении ионных уравнений обменных реакций, формулы слабых электролитов, оксидов, малорастворимых и простых веществ записывают в недиссоциированном виде:

Сложим почленно левые и правые части уравнений полуреакций с учетом дополнительных множителей к ним:

5PbO₂ + 20H⁺ + 2Mn²⁺ + 8H₂O ® 5Pb²⁺ + 10H₂O + 2MnO₄^– + 16H⁺.

Сократим одноименные члены и получим краткое ионное уравнение:

5PbO₂ + 4H⁺ + 2Mn²⁺ = 5Pb²⁺ + 2H₂O + 2MnO₄^–.

Перенесем коэффициенты к окислителю и восстановителю в схему реакции и допишем справа 2Н₂О.

5PbO₂ + 2Mn(NO₃)₂ + HNO₃ ® 2HMnO₄ + 5Pb(NO₃)₂ + 2H₂O.

В правой части схемы 10NO₃^–, следовательно, с учетом анионов нитрата марганца слева перед формулой HNO₃ ставим коэффициент 6. Составляем молекулярное уравнение:

5PbO₂ + 2Mn(NO₃)₂ + 6HNO₃ = 2HMnO₄ + 5Pb(NO₃)₂ + 2H₂O.

Обратите внимание: число ионов водорода слева на 2 больше, чем следует из краткого ионного уравнения (не 4, а 6). Это связано с тем, что в правой части уравнения имеется сильный электролит – марганцевая кислота (2 молекулы), и в кратком ионном уравнении не учтены ионы водорода, необходимые для ее образования.

Задачи для самостоятельного решения

Задание 1. Укажите степень окисления атомов в следующих соединениях:

Задание 2. Предположите, какую роль в ОВР могут играть соединения данного элемента, содержащие его атомы в указанной степени окисления. Приведите примеры соответствующих соединений.

Задание 3.Укажите тип ОВР для каждой из приведенных схем реакций. Расставьте коэффициенты, пользуясь методом электронного баланса. Укажите окислитель и восстановитель.

Задание 4.Составьте уравнения полуреакций с учетом рН среды. Какой процесс выражается каждым уравнением?

Задание 5. Расставьте коэффициенты в приведенных схемах ОВР, пользуясь методом полуреакций.