Цели урока:
- углубить знания по составлению уравнений ОВР методом электронного баланса;
- изучить ионно-электронный метод составлению уравнений ОВР, показать его преимущества в формировании умений прогнозирования направления протекания ОВР в растворах.
- закрепить умения по составлению уравнений ОВР, протекающих в различных средах;
Задачи урока.
Познакомить учащихся ещё с одним способом составления уравнений ОВР.
Оборудование и реактивы:
- персональный компьютер, проектор, презентация;
- раствор соляной кислоты и кусочки цинка, железные гвозди и раствор медного купороса, пробирки в штативе на каждом столе;
- инструкция “Алгоритм составления уравнений ОВР методом электронного баланса”;
- инструкции “Алгоритм составления уравнений ОВР ионно-электронным методом”;
- таблицы: “Окислители и восстановители”.
Тип урока: усвоение новых знаний с применением имеющихся знаний и умений с последующим обобщением и систематизацией.
Методы.
- Словесные (беседа, объяснение).
- Наглядные (компьютерная презентация, инструкции, таблицы).
- Практические (демонстрация и выполнение опытов).
План урока.
- Актуализация знаний.
- Повторение основных теоретических понятий темы: ОВР, окислители, восстановители, процессы окисления и восстановления.
- Составлению уравнений ОВР методом электронного баланса, его недостатки.
- Ионно-электронный метод составления уравнений ОВР, его преимущества.
Ход урока
1. Актуализация знаний.
Окислительно-восстановительные реакции представляют собой единство двух противоположных процессов - окисления и восстановления. В этих реакциях число электронов, отдаваемых восстановителями, равно числу электронов, присоединяемых окислителями. При этом независимо от того, переходят ли электроны с одного атома на другой полностью или лишь частично, оттягиваются к одному из атомов, условно говорят только об отдаче или присоединении электронов.
Окислительно-восстановительные процессы принадлежат к числу наиболее распространенных химических реакций и имеют огромное значение в теории и практике. С ними связаны процессы обмена веществ, протекающие в живом организме, гниение и брожение, фотосинтез. Окислительно-восстановительные процессы сопровождают круговороты веществ в природе. Их можно наблюдать при сгорании топлива, в процессах коррозии металлов, при электролизе и выплавке металлов. С их помощью получают щёлочи, кислоты и другие ценные продукты. Они лежат в основе преобразования энергии взаимодействующих химических веществ в электрическую энергию в гальванических и топливных элементах. Человечество давно пользовалось ОВР, вначале не понимая их сущности. Лишь к началу 20-го века была создана электронная теория окислительно-восстановительных процессов.
Повторение основных теоретических понятий темы: ОВР, окислители, восстановители, процессы окисления и восстановления. (Слайд 4). Презентация
Какие химические реакции относятся к окислительно-восстановительным, мы узнали в 8 классе, тогда же научились составлять уравнения этих реакций методом электронного баланса. В последствии, в 9 и 10 классе, мы отмечали, что в любой ОВР один из участников – восстановитель отдает электроны, окисляется, то есть повышает свою степень окисления, а другой – окислитель принимает электроны, восстанавливается, то есть понижает степень окисления. Поэтому, если оба её участника находятся в высшей (окислители: КМn+7О4 + HN+5O3) или низшей степени окисления (восстановители: H2S-2 + HCl-1), то реакция невозможна.. Если же один из участников может повысить, а другой понизить свои степени окисления, реакция в принципе возможна (HCl-1 + HN+5O3—>).
Поэтому, прежде чем написать уравнение реакции, протекающей в смеси заданных веществ, нужно ответить на следующие вопросы:
- Возможна ли в принципе ОВР между данными веществами?
- Если да, то установить продукты реакции.
- Подобрать коэффициенты в уравнении реакции.
Задание №1. Определите, возможна ли в принципе ОВР между данными веществами? Если да, то определите восстановитель и окислитель в реакции. (Слайд 5)
KMnO4 + FeS O4 + H2SO4 —> FeCl3 + HNO3 (конц.) —>
.P + HNO3 + Н2О —> … K2Cr2O7 + HCl —>
K2Cr2O7 + HNO3 —>
Выполнение лабораторных опытов.
- Взаимодействие раствора соляной кислоты с цинком;
- Взаимодействие железного гвоздя и раствора медного купороса
Вывод после проведения опытов: к ОВР обязательно относятся все реакции замещения и реакции, в которых присутствуют простые вещества.
2. Составление уравнений ОВР методом электронного баланса, его недостатки.
Метод электронного баланса основан на сравнении степеней окисления в исходных и конечных веществах, когда известны все исходные вещества и продукты реакции. (Слайд 6) Этот метод хорошо знают и используют все учащиеся при расстановке коэффициентов. И данным методом действительно удобно пользоваться и в неорганической и органической химии, конечно, если даны полные схемы реакций.
Алгоритм составления уравнений ОВР методом электронного баланса. (Приложение 1)
Работа у доски: (Слайд 7)
1. Записать схему реакции:
2. Определить, атомы, каких элементов изменяют степень окисления:
3. Составить электронные уравнения процессов окисления и восстановления:
4. Умножить полученные электронные уравнения на наименьшие множители для установления баланса по электронам:
5. Перенести множители из электронных уравнений в молекулярное уравнение реакции:
6. Проверить выполнение закона сохранения массы (число атомов каждого элемента в левой и правой части уравнения должно быть одинаковым) и, если требуется, ввести новые или изменить полученные коэффициенты:
Вывод: Данным способом расстановки коэффициентов удобно пользоваться, если известны исходные вещества и продукты реакции, т.е. даны полные схемы реакций.
3. Ионно-электронный метод составления уравнений ОВР, его преимущества.
Если ОВР протекает в водных растворах и участники реакции не очевидны, то удобнее использовать метод электронно-ионного баланса (другое название – метод полуреакций). А именно такие схемы реакций, в которых не известны некоторые исходные вещества и продукты реакции, даны в заданиях С1 единого государственного экзамена. Сегодня мы познакомимся с особенностями протекания ОВР в водных растворах, научимся определять продукты реакции, используя специфический для таких реакций метод составления их уравнений. (Слайд 8).
Метод полуреакций, или ионно-электронный метод составления ОВР заключается в том, что для окислительных и восстановительных процессов в отдельности записываются уравнения полуреакций. Затем их уравнивают отдельно, умножают на коэффициенты, чтобы получить общее уравнение, в котором соблюдены законы сохранения массы и заряда, и складывают. Метод на первый взгляд кажется громоздким, но он имеет жесткий алгоритм исполнения, что удобно и полезно.
Алгоритм составления уравнения ОВР методом электронно-ионного баланса
(Слайд 9) (Приложение 2):
- Составить перечень веществ и частиц, присутствующих в системе до начала реакции.
- Найти среди них окислитель и восстановитель; определить реакцию среды.
- Составить уравнение полуреакции окислителя.
- Составить уравнение полуреакции восстановителя.
- Уравнять число принятых и отданных электронов.
- Составить ионное уравнение.
- Составить молекулярное уравнение.
Составляя этим методом уравнений ОВР, необходимо учитывать следующие основные правила:
1) при составлении уравнений полуреакций можно использовать только те вещества и частицы, которые присутствуют в данной системе;
2) продуктами полуреакций могут быть только те вещества и частицы, которые устойчивы в данной системе;
3) при составлении уравнения полуреакции окислителя нельзя использовать частицы восстановителя и, наоборот, при составлении уравнения полуреакции восстановителя нельзя использовать частицы окислителя.
Рассмотрим взаимодействие дихромата калия К2Сг207 с соляной кислотой. (Работа у доски)
1. Запишим в левой части уравнения формулы исходных веществ.
Для создания в растворах кислой среды обычно пользуются серной кислотой. Соляная и азотная кислоты применяются редко, так как первая (НСl) способна окисляться, а вторая (НNО3) сама — сильный окислитель.
2. Определим окислитель и восстановитель.
Ион Сг2072-, содержащий хром в его высшей степени окисления, может быть только окислителем. В кислой среде степень окисления хрома понижается — он восстанавливается в Сг3+. Ионы С1- могут только окисляться – он восстановитель.
3. Составим схемы электронно-ионных уравнений полуреакций для процессов окисления и восстановления.
Полуреакция окисления: 2СГ - 2е = С12.
Полурсакция восстановления. Начинать подбор ее коэффициентов следует с уравнивания числа атомов элемента, который меняет свою степень окисления, в данном случае - хрома: Сг2072-—> 2Сг3+.
4. Проверим число атомов кислорода в каждом уравнении полуреакции слева и справа и уравняйте их. Уравниваем число атомов кислорода. Они превращаются в молекулы воды, степень окисления кислорода в которых та же, что и в Сг2072-. Для этого необходимо в левую часть добавить ионы Н+, которые заведомо имеются в растворе (среда кислая): Сг2072- + 14Н+ = 2Сг3+ + 7Н20.
Одновременно с атомами кислорода при этом уравнивается и число атомов водорода.
5. Проверим число атомов каждого элемента в левой и правой частях схем уравнений окисления и восстановления.
6. Проверим равенство сумм зарядов до и после реакции, в соответствии с законом электронейтральности — суммарное число зарядов продуктов реакции должно быть равно
суммарному числу зарядов исходных веществ.
В нашей записи суммарный заряд всех ионов слева +12, а справа +6, поэтому для баланса нужно добавить в левую часть нашего выражения 6 электронов, каждый из которых несет заряд — 1. В результате получим уравнение: Сг2072- + 14Н+ + бе = 2Сг3+ + 7Н20.
7. Подберем коэффициенты для окислителя и восстановителя согласно закону сохранения энергии (материи) - общее число электронов, отданных восстановителем и принятых окислителем, должно быть равным.
Сг2072- + 14H+ + 6e= 2Cr3+ + 7Н20 1
2С1- - 2е = С12 3
8. Суммируйте правые и левые части электронно-ионных уравнений, предварительно умножив соответствующие части на подобранные коэффициенты. Сг2072- + 14Н+ + 6СГ = 2Cr3++ 7Н20 + ЗС12,
9. Сократим подобные члены в правой и левой частях уравнения.
10. Перепишем ионное уравнение.
11. По ионному уравнению составим молекулярное, для этого необходимо в правой и левой частях уравнения каждому аниону приписать соответствующее число катионов, а
каждому катиону приписать соответствующее число анионов. Скомпонуйте ионы в молекулы.
В данном случае источником ионов Сг2072- была соль К2Сг207, поэтому с каждым молем Сг2072- в раствор попадает 2 моль ионов К+. В реакции они участия не принимают, поэтому в неизмененном виде должны перейти в правую часть. Вместе с 14 моль ионов Н+ в раствор вносится 14 моль ионов СГ. Из них 6 участвует в реакции в качестве восстановителя, а остальные 8, как и ионы К+, в неизмененном виде остаются после реакции, т. е. дописываются в правую часть. Проделав это, получим:
Сг2072- + 14Н+ + 6СГ + 2К+ + 8С1- = 2Сг3+ + 7Н20 + ЗС12 + 2К+ + 8С1-
После этого можно объединить ионы в формулы реальных веществ:
К2Сг207 + 14НС1 = 2СгС13 + ЗС12 + 2КС1 + 7Н20.
Правила уравнивания атомов кислорода и водорода при составлении полуреакций: (Слайд 10)
Преимущества электронно-ионного метода:
1. Рассматриваются реально существующие ионы:
2. Не нужно знать все получающиеся вещества, они появляются при его выводе.
3. При использовании этого метода нет необходимости определять степени окисления атомов отдельных элементов, что особенно важно в случае ОВР, протекающих с участием органических соединений, для которых подчас очень сложно сделать это.
4. Этот метод дает не только сведения о числе электронов, участвующих в каждой полуреакции, но и о том, как изменяется среда.
5. Сокращенные ионные уравнения лучше передают смысл протекающих процессов и позволяют делать определенные предположения о строении продуктов реакции.
6. Видна роль среды как активного участника всего процесса.
Самостоятельная работа (15 мин.): (Слайды 11, 12, 13, 14)
Закрепление. Составьте уравнение одной из 2 предложенных ОВР ионно-электронным методом или методом электронного баланса.
KMnO4 + FeSO4 + H2SO4—> Fe2(SO4)3 + …
CrCl3 + Br2 + КОН > К2CrO4 + KBr + …
(Анализ самостоятельной работы показал, что с работой справились все учащиеся, отдавая предпочтение ионно-электронному методу подбора продуктов реакции и коэффициентов).
Вывод: Если в ОВР не указаны продукты реакции, то удобнее использовать метод электронно-ионного баланса, который позволяет подобрать их, используя четкий алгоритм исполнения, что удобно и полезно.
Домашнее задание: (Слайд 15, 16)
Задание 2. Используя метод электронного баланса (или метод электронно-ионного баланса), составьте уравнения любых 3 реакций.
Определите окислитель и восстановитель.
K2Cr2O7 + HCl —> Cl2 + KCl + … + …
KMnO4 + H2S + H2SO4 —> Mn SO4 + S + …+ …
KMnO4 + … —> Cl2 + MnCl2 + … + …
H2S + HMnO4 —> S + MnO2 + …
KMnO4 + KBr + H2SO4 —> MnSO4 + Br2 + … + …
Вывод по итогам занятия: Учащиеся проявляют повышенный интерес к данной теме, они осознают важность и необходимость владения рассмотренным материалом, понимают, что полученные знания помогут им успешно выполнить задания ЕГЭ.
Анализ самостоятельной работы показал, что с работой справились все учащиеся, отдавая предпочтение ионно-электронному методу подбора продуктов реакции и коэффициентов.
Используемые информационные источники:
- Л.С. Гузей. Материалы курса “Фундаментальные понятия общей химии в школьном курсе”. Лекции 1-8. М.: Педагогический университет “Первое сентября”, 2006.
- Н.Б. Сухоржевская. Применение метода полуреакций в органической химии..//Приложение к газете “Первое сентября”, Химия .№ 20, 1996 г.
- http://www.chem.msu.su/rus/school/zhukov/18.html
- http://cor.edu.27.ru/dlrstore/0000002e-1000-4ddd-97d5-460046642032/2109440o2.pdf
- http://e-ypok.ru/ege_chemistries_c1
- http://c-vs.edusite.ru/DswMedia/sistemarabotyi.doc
- https://urok.1sept.ru/articles/500378