Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 87. Окисно-відновні реакції. Вплив pH середовища на продукти окисно-відновних перетворень

Повторіть:

за § 14: поняття про окисно-відновні хімічні реакції;
за § 14: поняття про процеси окиснення та відновлення;
за § 14: поширені речовини-окисники та речовини-відновники;
за § 14: правила складання електронного балансу для окисно-відновних реакцій;
за § 14: значення окисно-відновних реакцій для природи та практичної діяльності людини;
за § 15: електроліз водних розчинів електролітів як окисно-відновний процес.

Вплив кислотності середовища на характер окисно-відновних реакцій

Кислотність середовища може впливати на перебіг окисно-відновних реакцій, а саме від значення pH розчинів можуть істотно змінюватися продукти реакції.

Розгляньмо окиснення натрій сульфіту Na₂SO₃ калій перманганатом КМnО₄ у розчинах різної кислотності. Для створення кислого середовища зазвичай додають сульфатну кислоту, а для створення лужного середовища — натрій або калій гідроксид.

• У кислотному середовищі в розчині наявні:

Na₂SO₃ + КМnО₄ + H₂SO₄

Насамперед потрібно визначити, які продукти утворяться. Серед реагентів найсильнішим відновником є Сульфур S⁺⁴ у складі сульфіт-іона SO₃^2-, отже, він буде окиснюватися до S⁺⁶, утворюючи йон SO₄^2-.

Найсильнішим окисником серед реагентів є Манган — у перманганат-іоні МnО₄^-, він перебуває в ступені окиснення +7. Залежно від умов реакції Мn⁺⁷ може приймати різну кількість електронів, відновлюючись до ступеня окиснення +2, +4 чи +6. У кислому середовищі Мn⁺⁷ приймає 5 електронів і перетворюється на катіон Мn²⁺. Наявні в розчині йони Н⁺ забирають атоми Оксигену з перманганат-іонів, утворюючи воду:

МnО₄^-+ 8Н⁺ + 5е^-→ Мn²⁺ + 4Н₂О

Оскільки натрій сульфіт та натрій сульфат безбарвні, то під час реакції спостерігаємо знебарвлення фіолетового розчину калій перманганату (катіони Мn²⁺ хоча і надають розчину рожевого кольору, але цей ефект спостерігається лише за високої концентрації):

5Na₂SO₃ + 2КМnО₄ + 3H₂SO₄= 5Na₂SO₄+ 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

• У нейтральному середовищі ті самі реагенти виявляють дещо інші окисно-відновні властивості. Сульфіт-іон у цьому випадку також є відновником і окиснюється до сульфат-іона. А от перманганат-іони МnО₄^-у нейтральному розчині перетворюються на манган(ІV) оксид. У нейтральному розчині йони Н⁺ майже відсутні, тому атоми Оксигену з перманганат-іонів МnО₄^- можуть забрати лише молекули води, активність яких значно менша за йони Гідрогену:

МnО₄^-+ 2Н₂О + 3е^-→ МnО₂↓ + 4ОН^-

Під час реакції спостерігаємо знебарвлення розчину калій перманганату та утворення бурого осаду манган(ІV) оксиду:

3Na₂SO₃ + 2КМnО₄ + Н₂О = 3Na₂SO₄ + 2МnО₂↑ + 2КОН

• У лужному середовищі окисниками і відновниками є ті самі частинки. Але перманганат-іон у лужному середовищі через високу активність гідроксид-іонів, які не можуть приєднувати ще атоми Оксигену, не віддає надлишкові атоми Оксигену. Він лише приймає електрон, перетворюючись на манганат-іон:

Під час реакції спостерігаємо зміну фіолетового забарвлення калій перманганату на зелене забарвлення калій манганату:

Na₂SO₃ + 2ΚΜnΟ₄ + 2КОН = Na₂SO₄ + 2Κ₂ΜnΟ₄ + Н₂О

Отже, залежно від кислотності середовища продукти окисно-відновних реакцій можуть дуже відрізнятися, особливо в реакціях із калій перманганатом. Відмінності також можуть виявлятися у випадках, коли в кислому та лужному середовищах певний катіон утворює різні сполуки. Наприклад, катіони Сr³⁺ у кислому розчині утворюють розчинну сіль, а в лужному — нерозчинний хром(ІІІ) гідроксид. Або алюміній Аl⁰ у кислому середовищі окиснюється до йонів Аl³⁺, а в лужному — до Аl(ОН)₄^-.

Ключова ідея

Напрям перебігу хімічних реакцій залежить не лише від природи реагентів, але й від властивостей їхнього оточення.

Завдання для засвоєння матеріалу

510. Схарактеризуйте вплив pH середовища на продукти окисно-відновних реакцій. Наведіть приклади.

511. Визначте, яке з рівнянь відповідає реакції, що реально відбувається.

a) 2H₂SO₄ + 4H₂S → 6Н₂О + SO₂ + 5S

4H₂SO₄+ 2H₂S → 6Н₂О + 5SO₂+ S

H₂SO₄ + H₂S → 2H₂O + SO₂ + S

б) PbS + 2O₃ → PbSO₄ + O₂

PbS + 4O₃ → PbSO₄ + 4O₂

PbS + 6O₃ → PbSO₄ + 7O₂

512. Визначте продукти реакції та доберіть коефіцієнти методом електронного балансу.