Окислительно-восстановительные свойства соединений марганца и хрома: теория и практика

Окислительно-восстановительные реакции — это химические реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления у ионов реагирующих веществ. При этом некоторые частицы отдают электроны, а некоторые получают.

Окислители — это частицы (атомы, молекулы или ионы), которые принимают электроны в ходе химической реакции. При этом степень окисления окислителя понижается. Окислители при этом восстанавливаются.

Восстановители — это частицы (атомы, молекулы или ионы), которые отдают электроны в ходе химической реакции. При этом степень окисления восстановителя повышается. Восстановители при этом окисляются.

Химические вещества можно разделить на типичные окислители, типичные восстановители, и вещества, которые могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства.

К типичным окислителям относятся: простые вещества-неметаллы (фтор F2, кислород O2, хлор Cl2); сложные вещества, в составе которых есть ионы металлов или неметаллов с высокими положительными степенями окисления (HNO3, HClO4, KNO3, KMnO4, SO3, CrO3); соединения, содержащие катионы металлов, имеющие высокие степени окисления (Pb4+, Fe3+, Au3+ и др.).

К типичным восстановителям относятся: простые вещества-металлы; сложные вещества, в составе которых есть ионы неметаллов с отрицательной степенью окисления (H2S, HBr, K2S, NaI); некоторые соединения, содержащие катионы с минимальной положительной степенью окисления (Sn2+, Fe2+, Cr2+); соединения, содержащие сложные ионы, состоящие из неметаллов с промежуточной положительной степенью окисления (S+4O-23)2–, (НР+3O3)2–.

Мы рассмотрим окислительно-восстановительные свойства соединений марганца и хрома.

Степень окисления +2 для хрома является неустойчивой, поэтому данное соединение легко окисляется до степени окисления +3, являясь восстановителем.

Схема превращения:

Cr+2 -1e = Cr+3

Пример:

4CrO + O2 = 2Cr2O3

Обладает окислительно-восстановительной двойственностью, то есть может быть как окислителем, так и восстановителем.

Окислительные свойства:

Схема превращения:

Cr+3 +3e = Cr0

Пример:

Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr (Алюмотермия)

Восстановительные свойства:

Сильными окислителями переводится в соединения хромовой кислоты в щелочной среде и в кислой среде — в соединения дихромовой кислоты.

Схема превращения:

Cr+3 -3e = Cr+6

Составим уравнение реакции оксида хрома 3 с нитратом калия в щелочной среде.

1. Пишем формулы реагирующих веществ, ставим стрелку или знак равно, а за ними пишем формулы образующихся веществ:

Cr2O3 + KNO3 + KOH = K2CrO4 + KNO2 + H2O

2. Указываем степень окисления над знаками элементов, у которых она изменяется:

Cr+32O3 + KN+5O3 + KOH = K2Cr+6O4 + KN+3O2 + H2O

3. Находим, сколько электронов отдают или присоединяют соответствующие атомы, составляем электронный баланс, те находим наименьшее общее кратное чисел отданных и присоединенных электронов (их должно быть одинаково):

2 (1) Cr2+3 -6e > 2Cr+6. Cr2+3 (Cr2O3) восстановитель

6 (3) N+5 +2e > N+3. N+5 (KNO3) окислитель

4. Найденные коэффициенты ставим перед соответствующими формулами в правой части уравнения:

Cr2O3 + 3KNO3 + 4KOH = 2K2CrO4 + 3KNO2 + 2H2O

5. Проверяем, соответствует ли число атомов всех элементов в левой части уравнения числу атомов в правой части уравнения.

Последующие уравнения и электронные балансы к ним пишем по такому же плану.

6NaBrO3 + 5Cr2O3 + 3H2SO4 + 2H2O = 5H2Cr2O7 + 3Na2SO4 + 3Br

Проявляет окислительные свойства за счет хрома в степени окисления +6.

Схема превращения:

Cr+6 +3e = Cr+3

Примеры:

4CrO3 + 3S = 2Cr2O3 + 3SO2

2CrO3 + 3K2SO3 + 3H2SO4 = 3K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 3H2O

Проявляет восстановительные свойства за счет хрома в степени окисления +2.

Схема превращения:

Cr+2 -1e = Cr+3

Пример:

4Cr(OH) 2 + O2 + 2H2O = 4Cr(OH) 3

Характерны восстановительные свойства.

Схема превращения:

Cr+3 -3e = Cr+6

Пример:

2Cr(OH) 3 + 3Br2 + 10KOH = 2K2CrO4 + 6KBr + 8H2O

Хроматы и дихроматы являются сильными окислителями за счет степени окисления хрома +6. В различных средах хроматы и дихроматы восстанавливаются до различных продуктов. Хроматы более слабые окислители, чем дихроматы. Для удобства представлены схемы.

Схема превращения:

2Cr+6 + 6e = 2Cr+3

Примеры с участием дихроматов:

K2Cr+62O7 + Na2S+4O3 + H2O = Cr+3(OH) 3 + Na2S+6O4 + KOH

2 (1) 2Cr+6 + 6e = 2Cr+3. Cr+6 (K2Cr2O7) окислитель

6 (3) S+4 -2e = S+6. S+4 (Na2SO3) восстановитель

K2Cr2O7 + 3Na2SO3 + 4H2O = 2Cr(OH) 3 + 3Na2SO4 + 2KOH

3H2S + K2Cr2O7 + 4H2SO4 = K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 3S + 7H2O

K2Cr2O7 + 7H2SO4 + 6KI = Cr2(SO4)3 + 3I2 + 4K2SO4 + 7H2O

K2Cr2O7 + 4H2SO4 + 3KNO2 = Cr2(SO4)3 + 3KNO3 + K2SO4 + 4H2O

Пример с участием хромата:

K2Cr+6O4 + (NH4)2S-2 + H2O = Cr+3(OH) 3 + S0 + NH3 + KOH

2 (1) 2Cr+6 + 6e = 2Cr+3. Cr+6 (K2CrO4) окислитель

6 (3) S-2 -2e = S0. S-2 ((NH4)2S) восстановитель

2K2CrO4 + 3(NH4)2S + 2H2O = 2Cr(OH) 3 + 3S + 6NH3 + 4KOH

Другое превращение дихромата:

2Cr+6 +8e = 2Cr+2

Пример:

8AlCl3 + 3K2Cr2O7 + 21H2SO4 = 6CrSO4 + 3K2SO4 + 21H2O + 12Cl2 + 4Al2(SO4)3

Легко окисляются до соединений Cr+3. Являются восстановителями.

Схема превращения:

Cr+2 -1e = Cr+3

Пример:

4CrCl2 + O2 + 4HCl = 4CrCl3 + 2H2O

Проявляют окислительно-восстановительную двойственность.

Восстановительные свойства:

Схема превращения:

Cr+3 -3e = Cr+6

Примеры:

2Cr+3Cl3 + 3Br02 + 16KOH = 2K2Cr+6O4 + 6KBr-1 + 6KCl + 8H2O

2 Cr+3 -3e = Cr+6. Cr+3 (CrCl3) восстановитель

3 Br20 + 2e = 2Br-1. Br20 окислитель

2CrCl3 + 3Br2 + 16KOH = 2K2CrO4 + 6KBr + 6KCl + 8H2O

Cr2(SO4)3 + 3Br2 + 16NaOH = 2Na2CrO4 + 6NaBr + 3Na2SO4 + 8H2O

2CrCl3 + 3H2O2 + 10NaOH = 2Na2CrO4 + 6NaCl + 8H2O

Окислительные свойства:

Схема превращения:

Cr+3 +1e = Cr+2

Проявляют окислительно-восстановительную двойственность, но восстановительные свойства преобладают. Под действием сильных окислителей в кислотной среде превращаются в кислоты H2MnO4 и HMnO4, в щелочной – в их соли, в нейтральной – в MnO2.

Восстановительные свойства:

Кислотная среда

Схемы превращений:

Mn+2 -5e = Mn+7

Mn+2 -4e = Mn+6

Пример:

2Mn(NO3)2 + 5PbO2 + 4HNO3 + 2KNO3 = 2KMnO4 + 5Pb(NO3)2 + 2H2O

Щелочная среда

Схемы превращений:

Mn+2 -5e = Mn+7

Mn+2 -4e = Mn+6

Пример:

KBr+1O + Mn+2SO4 + KOH = KBr-1 + K2SO4 + K2Mn+6O4 + H2O

2 (1) Mn+2 -4e = Mn+6. Mn+2 (MnSO4) восстановитель

4 (2) Br+1 + 2e = Br-1. Br+1 (KBrO) окислитель

2KBrO + MnSO4 + 4KOH = 2KBr + K2SO4 + K2MnO4 + 2H2O

Нейтральная среда

Схема превращения:

Mn+2 -2e = Mn+4

Пример:

3Mn(NO3)2 + 2KMnO4 + 2H2O = HNO3 + 5MnO2 + 2KNO2

Окислительные свойства:

Схема превращения:

Mn+2 + 2e = Mn0

Пример:

MnCl2 + Mg = Mn + MgCl2

Обладают выраженными окислительными свойствами, но при действии более сильных окислителей проявляют восстановительные свойства: в кислотной среде образуются производные марганца (VII) (перманганаты – соли малинового цвета) .

Окислительные свойства:

Схема превращения:

Mn+4 +2e = Mn+2

Пример:

MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H2O

Восстановительные свойства:

Схема превращения:

Mn+4 -3e = Mn+7

Пример:

2MnO + 5PbO2 + 10HNO3 = 5Pb(NO3)2 + 2HMnO4 + 4H2O

В щелочной среде образуются производные марганца (VI) (манганаты – соли зеленого цвета) .

Схема превращения:

Mn+2 -4e = Mn+6

Примеры:

MnO2 + KNO3 + 2KOH = K2MnO4 + KNO2 + H2O

2MnO2 + O2 + 4KOH = 2K2MnO4 + 2H2O

Сильные окислители, особенно в кислотной среде, но при действии более сильных окислителей проявляют восстановительные свойства.

Окислительные свойства:

Кислотная среда

Схема превращения:

Mn+6 +4e = Mn+2

Пример:

K2Mn+6O4 + HCl-1 = Mn+2Cl2 +Cl02 + KCl + H2O

2 (1) Mn+6 +4e = Mn+2. Mn+6 (K2MnO4) окислитель

4 (2) 2Cl-1 -2e = Cl20. Cl-1 (HCl) восстановитель

K2MnO4 + 8HCl = MnCl2 + 2Cl2 + 2KCl + 4H2O

Нейтральная среда

Схема превращения:

Mn+6 +2e = Mn+4

Пример:

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2

Восстановительные свойства:

Схема превращения:

Mn+6 -1e = Mn+7

Пример:

2K2MnO4 + Cl2 = 2KMnO4 + 2KCl

Сильные окислители, в зависимости от pH среды. Для удобства представлена схема.

Кислотная среда

Схема превращения:

Mn+7 +5e = Mn+2

Примеры:

KMn+7O4 + К2S+4O3 +H2SO4 = К2S+6O4+ Mn+2SO4+ H2O

2 Mn+7 +5e = Mn+2. Mn+7 (KMnO4) окислитель

5 S+4 – 2e = S+6. S+4 (K2SO3) восстановитель

2KMnO4 + 5К2SO3 + 3H2SO4 = 6К2SO4+ 2MnSO4+ 3H2O

10Ag + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5Ag2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O

Нейтральная среда

Схема превращения:

Mn+7 +3e = Mn+4

Примеры:

2KMnO4 + 6KI + 4H2O = 2MnO2 + 3I2 + 8KOH

2KMnO4 + 3KNO2 + H2O = 3KNO3 + 2MnO2 + 2KOH

Щелочная среда

Схема превращения

Mn+7 +1e = Mn+6

Пример:

2KMnO4 + Na2SO3 + 2KOH = 2K2MnO4 + Na2SO4+ H2O

Для практики отлично подойдет рабочая тетрадь, которую можно распечатать или заполнять на удобном электронном устройстве: