Реакции в нейтральной среде.

Составим уравнение реакции сульфита натрия с перманганатом калия в нейтральной среде.

1. Напишем формулы исходных веществ:

2. Определим восстановитель и окислитель и коэффициенты для них.

Окислительно-восстановительные свойства остаются теми же, что в кислой и щелочной среде; наоборот, окислительно-восстановительные свойства перманганата калия в нейтральной среде резко изменяются (по сравнению с кислой или щелочной средой): ион восстанавливается до .

Ион молекулы является восстановителем: он отдает 2 электрона и переходит в .

В молекуле ион является окислителем: в нейтральной (или слабощелочной) среде он принимает 3 электрона и восстанавливается до . Ставим под восстановителем число 2, под окислителем 3. Находим коэффициенты. В данном случае на 3 молекулы требуется 2 молекулы .

Левая часть уравнения принимает вид:

3. Напишем в правой части уравнения формулы получающихся соединений, имея в виду, что ионы натрия с кислотным остатком образуют соль с кислородом образуют , а гидроксид-ион с ионом калия образует едкое кали. Отметим, что 1 гидроксид-ион образуется за счет освобождающегося кислорода (из ) и иона водорода воды, а второй — из воды.

В реакции участвует только одна молекула воды.

Окончательное уравнение принимает следующий вид:

Ниже приводится еще несколько уравнений окислительно-восстановительных реакций, протекающих в нейтральной среде с участием молекул воды:

В качестве примера окислительно-восстановительной реакции, протекающей в нейтральной среде без участия молекул воды, приведем следующую реакцию:

Составим в ионной форме уравнение реакции окисления иона ионом в нейтральной среде.

1. Напишем в левой части уравнения исходные вещества:

2. Ион является восстановителем: он отдает 2 электрона и переходит в . Ион принимает 1 электрон и превращается в ион .

Поставим под восстановителем число 2, под окислителем 1 и найдем коэффициенты для восстановителя и окислителя:

3. Запишем в левой части уравнения исходные вещества с найденными коэффициентами, а в правой — образующиеся продукты:

Таким образом, при взаимодействии с в зависимости от среды (кислой, щелочной или нейтральной) мы получаем разные вещества.

Наибольшую окислительную активность или точнее ион проявляет в кислой среде, восстанавливаясь до , меньшую в нейтральной и слабощелочной, восстанавливаясь до и минимальную в сильнощелочной, в которой восстанавливается до . В первом приближении это можно объяснить следующим образом. Кислоты, согласно химической теории растворения, диссоциируют на ионы гидроксония и ионы кислотного остатка, например:

Ионы внедряются в ионы и вызывают ослабление связи марганца с кислородом, способствуя тем самым усилению действия восстановителя. В нейтральной среде поляризующее действие полярных молекул воды значительно слабее влияния ионов , поэтому ионы подвергаются деформации гораздо меньше. В сильнощелочной среде ионы гидроксила несколько даже упрочняют связь , вследствие чего эффективность действия восстановителя уменьшается и принимает только 1 электрон.

Кроме среды, важными факторами, влияющими на направление и скорость окислительно-восстановительных процессов, являются также концентрация реагирующих веществ, температура и катализатор. Общая схема для любого окислительно-восстановительного процесса может быть представлена так:

или

Константа равновесия К для приведенного процесса выражается так:

Пользуясь приведенным уравнением, легко предвидеть смещение равновесия окислительно-восстановительной реакции в зависимости от концентрации реагирующих веществ. Так, например, при увеличении концентрации окислителя или восстановителя равновесие будет смещаться слева направо, при увеличении же восстановленной или окисленной формы вещества равновесие будет смещаться в обратную сторону, т. е. справа налево.

Повышение температуры влечет за собой увеличение скорости окислительно-восстановительной реакции.

Так, например, равновесие реакции восстановления диоксида углерода углем при нагревании сдвигается слева направо:

Наконец, нагревание может изменить не только скорость или положение равновесия той или иной окислительно-восстановительной реакции, но и самый характер ее. Например, при достаточно высокой температуре распадается

В окислительно-восстановительных реакциях при высокой температуре не только расходуется в зависимости от среды в том или ином количестве на окисление восстановителя, но и разрушается, согласно приведенному выше уравнению. В результате, помимо основного процесса, протекает ряд побочных реакций.

Щавелевая кислота также разлагается при высокой температуре:

Теллур со щелочью реагирует следующим образом:

На скорость окислительно-восстановительных реакций, кроме указанных факторов, влияет также катализатор. Наиболее известны положительные катализаторы, т. е. ускоряющие течение реакций. Менее известны отрицательные катализаторы, замедляющие химические процессы.

Рассмотрим некоторые окислительно-восстановительные процессы, протекающие в присутствии катализатора.

Окисление щавелевой кислоты перманганатом калия значительно ускоряется в присутствии ионов . Образующиеся при этой реакции ионы затем сами катализируют процесс.

Химический процесс, в котором роль катализатора выполняет одно из исходных или образующихся в результате реакции веществ, называется автокатализом.

В лабораторных условиях кислород обычно получают из бертолетовой соли, которая в присутствии разлагается значительно быстрее.

В присутствии наблюдается также ускорение разложения .

В зависимости от катализатора два соединения, реагирующие между собой, могут образовать различные вещества:

В первой реакции катализатором являются ионы иода, а во второй — молибденовая кислота.

Отрицательные катализаторы — это, например, спирт и глицерин в растворе сульфита натрия , замедляющие окисление в кислородом воздуха.

Еще одним примером отрицательного действия катализатора является замедление следами кислорода взаимодействия хлора с водородом на свету.

Ускоряющее действие на окислительно-восстановительные процессы, помимо катализатора, оказывают и параллельно идущие реакции.

В тех случаях, когда одна окислительно-восстановительная реакция ускоряет другую, говорят о сопряженных, или индуцированных, реакциях (Н. А. Шилов, 1904). Многие окислительно-восстановительные реакции являются сопряженными. Например, медленно протекающая реакция окисления иона хлора перманганатом

ускоряется одновременно идущей реакцией окисления двухвалентного иона железа перманганатом:

Сопряженно протекает реакция окисления мышьяковистой кислоты кислородом воздуха в присутствии сернистой кислоты . Сернистая кислота окисляется кислородом воздуха, а мышьяковистая не окисляется. Однако при совместном присутствии окисляются обе кислоты.