Уметь расставлять коэффициенты.

Однако, помимо этого, есть еще более сложные умения: прогнозировать продукты окислительно-восстановительных процессов, исходя из данных реагентов, или реагенты, исходя из продуктов, а также определять среду, в которой протекает реакция

Умение 1: расставлять степени окисления элементов в молекулярных формулах веществ.

Для того, чтобы определить степени окисления элементов, нужны знания определенных понятий и способы их применения.

Какие это понятия?

1. Электроотрицательность – величина, характеризующая способность атома в молекуле притягивать электроны, участвующие в образовании химической связи. Притягивая к себе электроны, атомы приобретают частичный отрицательный заряд. Наиболее электроотрицательными являются неметаллы: фтор, кислород и азот. Металлы, как правило, смещают электроны от себя, приобретая положительный заряд. Сравнить электроотрицательность разных элементов можно с помощью ряда электроотрицательности, или по положению в периодической системе. В каждом периоде Периодической системы электроотрицательность элементов увеличивается при возрастании порядкового номера (слева направо), в каждой группе Периодической системы электроотрицательность уменьшается при возрастании порядкового номера (сверху вниз).

2. Степень окисления. Понятие степени окисления весьма формально: это условный заряд, который приобрел бы атом, если бы все связи в молекуле стали ионными. Можно объяснить степень окисления несколько иначе: как число электронов, смещенных к атому ( – ) или от атома (+).При определении степени окисления в неорганических веществах чаще всего пользуются алгебраическим методом и находят усредненное значение степени окисления. Именно поэтому иногда степень окисления выражается нецелыми числами. Степень окисления каждого отдельного атома должна быть целым числом (потому что смещается целое количество электронов).

Значение степени окисления некоторых элементов.

• Степень окисления элементов в простых веществах равна 0.

• Фтор в соединениях имеет степень окисления – 1.

• Металлы 1-2 группы главной подгруппы в соединениях имеют степень окисления +№ группы.

• Водород в большинстве соединений проявляет степень окисления +1, и только в гидридах (соединениях с металлами) может быть – 1.

• Кислород чаще всего проявляет степень окисления – 2. Однако, в соединениях с фтором может быть +1 или +2, в соединениях с активными металлами и водородом может проявлять степень окисления – 1 (пероксиды), и дробные степени окисления (надпероксиды и озониды).

Как понять, что в соединении у кислорода (или другого элемента) нетипичная степень окисления? Для этого достаточно расставлять степени окисления именно в том порядке, в котором они приведены, то есть сначала у атомов фтора, потом у атомов металлов 1, 2 групп главных подгрупп, затем у водорода, далее у кислорода. Например, КО₃. Расставлять степени окисления нужно начинать с калия, так как у него возможна единственная степень окисления +1, тогда у кислорода – 1/3.

N₂H₄ –начинать расставлять степени окисления следует с водорода, так как он соединен с неметаллом, то проявляет степень окисления +1, значит, у азота степень окисления – 2.

HOF – сначала определим степень окисления фтора – 1, потом водорода +1, степень окисления кислорода оказывается 0.

Все остальные неметаллы могут проявлять переменные степени окисления от (№ группы – 8) – низшая степень окисления до + № группы – высшая степень окисления. Если атом неметалла является в молекуле наиболее электроотрицательным, то его степень окисления скорее всего будет низшей (№ группы – 8). Например, в соединении HOCl – определяем степень окисления водорода +1 и кислорода -2, а затем хлора +1.

• Металлы побочных подгрупп и главных подгрупп 4 – 6 групп могут иметь только положительные степени окисления в соединениях, причем у элементов побочных подгрупп номер группы не всегда соответствует высшей степени окисления (например, медь +2, золото +3, железо +6, никель +2, кобальт +3 и т.д.). Степень окисления атомов этих элементов можно определить только по формуле.

Алгебраический метод определения степени окисления исходит из того, что молекула в целом электронейтральна, то есть сумма степеней окисления атомов всех элементов равна нулю.

Например, определим степени окисления элементов в молекуле серной кислоты H₂SO₄. Так как водород в этой молекуле не связан с металлом, то его степень окисления +1(на 2 атома водорода приходится +2), кислород не связан с фтором, перед нами явно не пероксид и не озонид, поэтому его степень окисления – 2 (на 4 атома кислорода приходится –8). Обозначим степень окисления серы за х. Тогда +2 +(–8)+х = 0; х = +6.

Этот метод подходит и для определения степени окисления элементов в ионах. Например, ортофосфат-анион PO₄^3–. У кислорода степень окисления – 2, на 4 атома кислорода приходится –8, пусть степень окисления фосфора х, тогда сумма степеней окисления равна заряду иона, то есть: х–8 = –3, откуда х = +5

Вот несколько другой подход:

Определим, какой элемент в молекуле наиболее электроотрицательный и отделим его. Это кислород, у него будет низшая степень окисления (№ группы – 8) = 6 – 8 = –2. Умножим индекс 4 на степень окисления –2, получится –8. Значит, на оставшуюся часть молекулы приходится +8. Из них +2 приходится на водород, значит, на серу остается +6.

H₂S O₄^–2

+8 –8

Если в формуле используются скобки, это может вызвать затруднения у учащихся. Здесь можно предложить несколько вариантов определения степени окисления.

Например, ортофосфат кальция. Первый вариант заключается в том, что нужно раскрыть скобки: Ca₃(PO₄)₂ или Ca₃P₂O₈, дальше можно действовать любым из указанных выше способов. Степени окисления кальция и кислорода очевидны, следует найти только степень окисления фосфора. Второй вариант заключается в том, что нужно определить степень окисления фосфора в соответствующей кислоте.

Третий вариант – найти степени окисления в ионе PO₄ ^{3 –}

В формулах, где степень окисления не является постоянной у 2 элементов, нужно ориентироваться с помощью зарядов ионов.

Например, Fe₂(SO₄)₃. Индекс у сульфат- иона показывает заряд железа. Дальше – любым из выше перечисленных способов.

FeSO₄ – заряд сульфат -иона 2-, значит, у железа +2. И т.д.

ЗАДАНИЕ1. Любым из выше указанных способов определите степени окисления всех элементов в соединениях, объясняя последовательность действий: NO₂F, BaO₂, NH₄F, NaH₂PO₂, Ca(SCN)₂, K₄[Fe(CN)₆].

Умение 2: составлять электронный баланс, то есть определять количество и направление перехода электронов.

Учащиеся часто путают, отдает элемент электроны или принимает, окислитель он или восстановитель.

Для решения таких заданий необходимы следующие знания:

1. Окисление – процесс отдачи электронов. (Небольшой мнемонический приём: Окисление – Отдача, начинаются с одной буквы)

Восстановление – процесс принятия электронов (взять электроны).

2. Окисление происходит с восстановителем. Значит, восстановитель отдает электроны, окисляется, его степень окисления повышается.

Восстановление происходит с окислителем. Значит, окислитель принимает электроны, восстанавливается, его степень окисления понижается.

Сколько электронов принимает или отдает атом элемента, можно посчитать по координатной прямой.

Существует также логический метод.

Положительная степень окисления атома – это нехватка отрицательных частиц – электронов, отрицательная – избыток электронов. Например, S⁺⁴ S ^{– 2} . Рассуждаем так: до реакции атому серы не хватало 4 электронов, после реакции появилось 2 лишних. Это значит, что он приобрел 6 электронов (4 – для того, чтобы стать нейтральной частицей, и ещё 2 – чтобы приобрести отрицательную степень окисления).

После того, как учащиеся научатся определять количество и направление перехода электронов, и записывать это в виде электронного баланса, можно переходить к расстановке коэффициентов.

Умение 3: расставлять коэффициенты методом электронного баланса.

ПРИМЕР 1.

Cu + HNO₃  Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

1. Определяем степени окисления всех элементов;

2. Выбираем те элементы, у которых изменилась степень окисления;

3. Составляем электронный баланс

Cu⁰ – 2e  Cu⁺² 3 восстановитель

Окисление

N ⁺⁵ +3e  N⁺² 2 окислитель

Восстановление

Число принятых и отданных электронов переносим крест-накрест и сокращаем. Это множители, которые позволяют осуществить закон сохранения: число принятых электронов должно быть равно числу отданных электронов.

Теперь эти множители нужно внести в схему реакции, они должны стать коэффициентами. Перед атомами меди в левой и правой части уравнения нужно поставить коэффициент 3. В этом действии можно не сомневаться, так как медь в левой и правой части встречается только по одному разу.

3 Cu + HNO₃  3Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

А вот с азотом возникает вопрос: к какому из атомов азота относится коэффициент 2? Ответ: к тому, степень окисления которого в уравнении встречается единожды, то есть +2. Ставим коэффициент 2 перед NO.

3 Cu + HNO₃  3Cu(NO₃)₂ + 2NO + H₂O

Дальше сравниваем левую и правую часть схемы и достраиваем коэффициенты в таком порядке: в правой части после выставления коэффициентов из баланса перед всеми атомами азота есть коэффициенты, пересчитаем азот в правой части – 8, ставим этот коэффициент перед азотной кислотой.

3 Cu + 8HNO₃  3Cu(NO₃)₂ + 2NO + H₂O

Теперь в левой части поставлен коэффициент перед водородом, число его атомов 8. Ставим в правую часть перед водой 4.

3 Cu + 8HNO₃  3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Осталось сравнить число атомов кислорода в левой и правой части уравнения. Если равно – коэффициенты расставлены правильно, если нет – ищем ошибку.

ПРИМЕР 2.

KMnO₄ + K₂SO₃ + H₂SO₄  MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

1. Определяем степени окисления атомов всех элементов;

2. Выбираем те элементы, у которых изменилась степень окисления;

3. Составляем электронный баланс

S⁺⁴ – 2e  S⁺⁶ 5 восстановитель

Окисление

Mn⁺⁷ +5e  Mn⁺² 2 окислитель

Восстановление

Перед атомами марганца в левой и правой части уравнения нужно поставить коэффициент 2. В этом действии можно не сомневаться, так как марганец в левой и правой части встречается только по одному разу.

2KMnO₄ + K₂SO₃ + H₂SO₄  2MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

С серой возникает вопрос: к какому из атомов серы относится коэффициент 5? К тому, степень окисления которого в уравнении встречается единожды, то есть +4. Ставим коэффициент 5 перед K₂SO₃.

2KMnO₄ + 5K₂SO₃ + H₂SO₄  2MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Дальше сравниваем левую и правую часть схемы и достраиваем коэффициенты в таком порядке: калий ( в левой части 10+2=12, перед K₂SO₄ поставим 6)

2KMnO₄ + 5K₂SO₃ + H₂SO₄  2MnSO₄ + 6K₂SO₄ + H₂O

Теперь в правой части поставлены коэффициенты перед серой, число её атомов 8. В левой части уже есть коэффициент перед серой 5, не хватает еще 3.

2KMnO₄ + 5K₂SO₃ + 3H₂SO₄  2MnSO₄ + 6K₂SO₄ + H₂O

Сравниваем число атомов водорода. Ставим перед водой 3.

2KMnO₄ + 5K₂SO₃ + 3H₂SO₄  2MnSO₄ + 6K₂SO₄ + 3H₂O

Осталось сравнить число атомов кислорода в левой и правой части уравнения. 35 и 35.