Окислительно-восстановительные реакции. Практическое занятие курсов повышения квалификации учителей химии «Урок химии: традиции и современность»

Цель: познакомить учителей химии с использованием технологии развития критического мышления для чтения и письма.

Используемые приемы: “верные и неверные утверждения”, “зигзаг-1”, кластеры.

Стадия вызова

На стадии вызова используется прием “верные и неверные утверждения”.

Стадия осмысления

1. Организация деятельности в рабочих группах, участники которых получают тексты по четырем основным темам “зигзага”:

1) Окислительно-восстановительные процессы. Степень окисления
2) Окислители и восстановители
3) Типы окислительно-восстановительных реакций
4) Расстановка коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса

Идет первоначальное знакомство с текстом, первичное чтение.

2. Работа в экспертных группах.

В экспертные группы объединяются “специалисты” по отдельным вопросам. Их задача – внимательное чтение текста, выделение ключевых фраз и новых понятий либо использование кластеров и различных схем для графического изображения содержания текста (работа ведется индивидуально).

3. Отбор материала, его структурирование и дополнение (групповая работа)

4. Подготовка к трансляции текста в рабочих группах

1-я группа экспертов составляет опорный конспект “Степень окисления”

2-я группа экспертов составляет схему “Окислители и восстановители”

3-я группа экспертов составляет схему “Типы окислительно-восстановительных реакций”

4-я группа экспертов составляет схему электронного баланса

5. Подготовка к презентации (плакат)

Стадия рефлексии

Возвращение в рабочие группы

1. Трансляция в группе тем 1-4 последовательно.
2. Обсуждение результатов работы с текстами.
3. Презентация отдельных тем.
4. Возвращение к “верным и неверным утверждениям”. Проверка своих первоначальных предположений. Расстановка новых значков.

Это может выглядеть так:

Тексты по четырем основным темам “зигзага”

I. Окислительно-восстановительные процессы. Степень окисления

Термин окисление можно определить тремя способами:

• как присоединение кислорода к какому-либо веществу;
• как удаление водорода из какого-либо вещества;
• как потерю электронов каким-либо веществом.

Термин восстановление тоже можно определить тремя способами:

• как удаление кислорода из какого-либо вещества;
• как присоединение водорода к какому-либо веществу;
• как приобретение электронов каким-либо веществом.

Нас будут интересовать главным образом процессы электронного переноса. Поэтому мы будем рассматривать окисление как потерю электронов, а восстановление – как приобретение электронов.

В тех случаях, когда происходит окисление, одновременно с ним непременно происходит и восстановление, и наоборот, если происходит восстановление, оно обязательно сопровождается одновременным окислением. Эти одновременно протекающие реакции называются окислительно-восстановительными.

В результате окислительно-восстановительных реакций изменяется степень окисления, по крайней мере, пары атомов.

Степенью окисления принято называть заряд атома в молекуле, рассчитываемый в предположении, что все связи в молекуле носят ионный характер. Следовательно, степень окисления атома того или иного элемента – условная величина, формально оцениваемая с использованием следующих правил:

1) Степень окисления атома в молекуле может быть равна нулю или выражена отрицательным или положительным числом (целочисленным или дробным).
2) Молекула всегда электронейтральна: сумма всех положительных и всех отрицательных формальных зарядов, которые характеризуют степень окисления атомов, образующих молекулу, равна нулю.
3) При оценке степени окисления атомов в сложных ионах заряд иона, естественно, учитывается. При этом алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, составляющих сложный ион, равна заряду последнего.
4) атомы кислорода во всех соединениях имеют степень окисления -2. исключения составляют:

а) пероксиды типа H₂O₂, Na₂O₂, BaO₂, в которых степень окисления кислорода равна -1;
б) надпероксиды типа KO2, RbO2, CsO2, в которых степень окисления-1 имеет сложный надпероксидный ион [O2]-1 и, следовательно, формально степень окисления атома кислорода равна -1/2;
в) озониды типа KO3, RbO3, CsO3, в которых степень окисления -1 имеет сложный озонид-ион [O3]-1 и, следовательно, формально степень окисления атома кислорода равна -1/3;
г) смешенные пероксид-надпероксидные соединения типа M2O3, где M=K, Rb, Cs, в которых атомы кислорода формально характеризуются двумя степенями окисления -1 и -1/2;
д) оксид и пероксид фтора (F2O и F2O2)б в которых степень окисления кислорода равно +2 и +1 соответственно.

5) Атомы водорода во всех соединениях имеют степень окисления +1; исключение составляют гидриды, в которых степень окисления атома водорода равна -1.
6) степень окисления атомов металлов металлов в соединениях с неметаллами всегда положительна, при этом целый ряд металлических атомов имеет постоянную степень окисления. Так, например, атомы щелочных металлов (+1), атомы щелочноземельных металлов (+2) и др.; атомы большинства переходных металлов, напротив, могут изменять свою степень окисления; исключение составляют так называемые интерметаллиды – соединения, образованные при взаимодействии двух или более металлов, степень окисления компонентов в которых, как правило, не оценивается.
7) Степень окисления атомов элементов в простом соединении равна нулю.
8) Степень окисления кислорода в органических молекулах и ионах равна -2 (встречающиеся исключения в органике необходимо рассматривать в каждом конкретном случае).

II. Окислители и восстановители

Окислители

Окислителем называется вещество, которое вызывает окисление другого вещества. Вызывая окисление какого-либо вещества, сам окислитель при этом восстанавливается. Наиболее распространенные окислители подразделяются на три типа.

Неметаллические элементы. Такие окислители присоединяют электроны. Образуя анионы. Примером окислителя подобного типа является хлор. Он окисляет, например, бромид-ионы. Ионное уравнение полной окислительно-восстановительной реакции, протекающей в данном случае, имеет вид

Cl₂ (г.) + 2Br^- (водн.) —> 2Cl^- (водн.) + Br₂ (г.)

Таким образом, происходит окисление брома:

2Br^- (водн.) —> Br₂ (г.) + 2e^-

При окислении брома хлор восстанавливается:

Cl₂ (г.) + 2e^-—> 2Cl^- (водн.)

Катионы. К числу катионов, выступающих в роли окислителей, относятся обычно ионы металлов. Они присоединяют к себе электроны, образуя нейтральные атомы или молекулы. Примеры:

Сu²⁺ + 2e^-—> Cu

2H⁺ + 2e^-—> H₂

Ионы, содержащие какой-либо элемент с высокой степенью окисления. Вызывая окисление какого-либо вещества, ион такого элемента переходит в состояние с более низкой степенью окисления. Например,

Проба на окислители

Окислители окрашивают в синий цвет влажную индикаторную бумагу, пропитанную крахмалом и иодидом калия. Это происходит в результате того, что окислитель окисляет иодид-ионы, превращая их в йод:

2I^-—> I₂+ 2e^-

Свободный йод реагирует с крахмалом, и это приводит к появлению синей окраски.

Восстановители

Восстановитель представляет собой такое вещество, которое вызывает восстановление другого вещества. Вызывая восстановление другого вещества, сам восстановитель при этом окисляется. Наиболее распространенные восстановители подразделяются на три типа.

Металлы. Металлы, способные отдавать электроны и образующие ионы в этом процессе, обладают свойствами восстановителей. Примером восстановителей этого типа может служить железо. Оно восстанавливает, например, ионы двухвалентной меди в следующей реакции:

Fe(тв.) + Сu²⁺ (водн.) —> Fe²⁺ (водн.) + Cu(тв.)

Уравнение, описывающее полуреакцию восстановления ионов меди (II):

Сu²⁺ + 2e^-—> Cu(тв.)

Уравнение, описывающие полуреакцию окисления железа:

Fe(тв.) —> Fe²⁺ (водн.) + 2e^-

Неметаллы. Неметаллы, способные удалять элементы с отрицательными степенями окисления из их соединений с металлами, также являются восстановителями. Важнейшими элементами с отрицательными степенями окисления, о которых идет речь, являются кислород и галогены. Восстановителями рассматриваемого типа являются углерод и оксид углерода. Например,

Отметим, что в обоих приведенных примерах происходит повышение степени окисления углерода. Это означает, что в обоих случаях углерод сам окисляется.

Ионы, содержащие какой-либо элемент с низкой степенью окисления. Ионы, содержащие какой-либо элемент с низкой степенью окисления, способны вызывать восстановление других веществ. При этом происходит возрастание степени окисления элемента в таком ионе, а значит, он сам окисляется. Пример:

Проба на восстановители

Характерной реакцией восстановителей является обесцвечивание ими подкисленного раствора перманганата (VII) калия, происходящее в результате следующей реакции:

III. Типы окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительные реакции разделяют на межмолекулярные и внутримолекулярные, в зависимости от того, в состав каких веществ входят окислитель и восстановитель.

Межмолекулярные ОВ реакции характеризуются тем, что окислителем и восстановителем являются различные вещества:

Внутримолекулярные ОВ реакции характеризуются тем, что окислитель и восстановитель входят в состав одного и того же вещества, но представляют собой атомы разных элементов. К ним относится большинство реакций термического разложения:

Реакции самоокисления-самовосстановления. Существует много ОВ реакций, в которых и окислителей и восстановителем являются атомы одного и того же элемента. Эти реакции также могут быть внутри- и межмолекулярными. Такие реакции называются по-разному: самоокисления-самовосстановления, окислительно-восстановительной двойственности, диспропорционирования, дисмутации.

Реакции внутримолекулярной ОВ дисмутации характеризуются тем, что атомы элемента, проявляющего окислительно-восстановительную двойственность, входят в состав одной молекул одного и того же вещества:

Атомы одного и того же элемента, участвующего в реакции ОВ дисмутации, могут иметь одинаковые степени окисления или разные.

В органической химии и в живой природе широко распространены реакции ОВ дисмутации за счет атомов углерода.

Реакции межмолекулярной ОВ дисмутации характеризуются тем, что окислитель и восстановитель входят в состав разных молекул, но являются атомами одного и того же элемента:

По механизму протекания ОВ реакции разделяют на электрофильно-нуклеофильные и свободнорадикальные.

Свободнорадикальный механизм характеризуется гетеролитическим разрывом неполярной и малополярной связи, в результате чего возникают свободные радикалы – частицы с неспаренными электронами. Радикалы, в зависимости от их сродства к электрону и свойств партнера, могут принимать электроны (т.е. быть окислителями) и могут отдавать электроны (т.е. быть восстановителями).

Свободнорадикальный механизм характерен для ОВ реакций, протекающих преимущественно при высокой температуре и в газовой фазе. Прежде всего это реакции горения веществ, т.е. их взаимодействие с кислородом и другими сильными окислителями:

Электрофильно-нуклеофильный механизм характерен для ОВ реакций, протекающих в растворах при отсутствии радикальных частиц. В ОВ реакциях окислители (акцепторы электронов) являются электрофилами, а восстановители (доноры электронов) – нуклеофилами.

IV. Расстановка коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса

При составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций наибольшую трудность вызывает расстановка коэффициентов. Существует несколько методов их нахождения. Одним из них является метод электронного баланса, основным требованием которого является соблюдение закона сохранения заряда, т.е. число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых восстановителем. В методе электронного баланса всегда указываются степени окисления атомов элементов, а не заряды реально существующих ионов.

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса осуществляется в несколько стадий:

1) записывают уравнение реакции со всеми участвующими в ней веществами без коэффициентов;

2) выделяют элементы, изменяющие степени окисления в результате реакции, и определяют число электронов, приобретенных окислителем и отдаваемых восстановителем;

3) уравнивают число электронов, приобретаемых и отдаваемых элементами,   устанавливая тем самым коэффициенты для соединений, в которых присутствуют  элементы, изменяющие степень окисления;

4) подбирают коэффициенты для всех остальных участников реакции.