Химия и химические технологии/2. Теоретическая химия

к.х.н. Таутова Е.Н., к.х.н. Козаченко Н.Н., к.х.н. Хамитова А.С.

Кокшетауский государственный университет им. Ш. Уалиханова, Казахстан

Инновационная методика изучения
окислительно-восстановительных реакций в ВУЗе

Все химические реакции условно делят на реакции, протекающие с изменением и без изменения степеней окисления элементов. Условно, как известно, потому что в химических реакциях могут совпадать начальные и конечные степени окисления элементов, но в течение химических превращений могут происходить изменения степеней окисления элементов.

Например:

2U⁺⁴O^-2Cl₂^- = U⁺⁴O₂^-2 + U⁺⁴Cl₄^-

2NaN⁺³O₂ + 2KI^- + 2H₂SO_{4 (разб.)} = I₂⁰ + 2N⁺²O + K₂SO₄ + Na₂SO₄ + 2H₂O

Химические процессы, при которых изменяются степени окисления некоторых элементов, называются окислительно-восстановительными реакциями.

Главой «Окислительно-восстановительные реакции (ОВР)» по типовым программам неорганической химии в педагогическом институте, университете для специальностей «Химия», «Химия и биология», «Биология» заканчивается изучение теоретических основ этого предмета.

Для успешного усвоения ОВР мы предложили метод предварительной подготовки с применением тестовых заданий без машинного контроля и контролирующей компьютерной программы.

Начальный этап. При прохождении темы «Основные классы неорганических соединений» в неорганической химии восстанавливаем школьные знания первокурсников по определению понятий «степень окисления» и «валентность»; «окислители» и «восстановители».

Степень окисления – это заряд, который возникает на атоме химического элемента в соединении в результате перехода электронов к более электроотрицательному элементу. Степень окисления – это формальный заряд, так как истинный (эффективный) заряд на атоме элемента в соединении всегда меньше ввиду неполного смещения общей электронной плотности химической связи к более электроотрицательному элементу. Фтор – самый электроотрицательный элемент. Кислород по электроотрицательности уступает только фтору. Поэтому кислород только в соединении с фтором будет иметь положительную степень окисления.

Окислители – вещества, содержащие атомы или ионы, присоединяющие электроны. Процесс отдачи частицей электронов – окисление. Восстановители – вещества, содержащие атомы или ионы, отдающие электроны. Процесс присоединения частицей электронов – восстановление.

Валентность показывает число химических связей. Неадекватность понятий «степень окисления» и «валентность» показываем сначала на следующих примерах (таблица 1).

Таблица 1 - Степень окисления и валентность кислорода в некоторых соединениях

Соединения кислорода	Структурная формула вещества	Степень окисления атома кислорода	Валентность атома кислорода
Н2^+О^-2вода	H^+ – O^-2 – H^+	-2	2
H2^+O2^-пероксид водорода	H^+– O^- – O^- – H^+	-1	2
О2^0 кислород	О = О	0	2
O2^+2F2^-диоксидифторид	F^- – O^+ – O^+ – F^-	+1	2
O^+2F2^- дифторид кислорода	F^- – O^+2 – F^-	+2	2

Во всех данных соединениях валентность кислорода равна двум, т.е. число образуемых им химических связей равно двум. Однако степень окисления (формальный заряд) на атомах кислорода различен.

Аналогично рассматриваем структурные формулы ортофосфорной H₃PO₄, ортофосфористой H₃PO₃ и фосфорноватистой H₃PO₂ кислот, где во всех соединениях валентность фосфора равна 5, а степень окисления атомов фосфора соответственно +5, +3, +1.

В сложном парамагнитном веществе красного цвета (O₂)⁺[Pt⁺⁵F₆^-]^- не атом кислорода имеет заряд +1, а его молекула. (O₂)⁺ –молекулярный ион – диоксигенил, является катионом в данном соединении, которое называется гексафтороплатинат (V) диоксигенила. Это вещество синтезировал канадский ученый Н. Бартлет ещё в 1962г. А поскольку энергия ионизации (ЭИ) инертного (благородного) газа ксенона близка ЭИ молекулы кислорода, то ученые смогли применить подобные окислительно-восстановительные реакции для синтеза соединений ксенона, т.е. смогли окислить ксенон. Этим примером мы показываем важность знаний процессов окисления-восстановления.

Вещества с положительной степенью окисления кислорода – сильнейшие окислители. Подобные соединения используют как эффективные окислители ракетного топлива.

Далее проводим самостоятельную работу в этом направлении. Для закрепления данного материала, формул и свойств ряда кислот и кислотных оксидов разбираем примеры, показывающие, что степень окисления кислотообразующего элемента в химической формуле кислоты равна его степени окисления в молекуле ангидрида этой кислоты.

H₂⁺S⁺⁶O₄^-2 – серная кислота; S⁺⁶O₃^-2 – ангидрид серной кислоты, оксид серы (VI), триоксид серы. Здесь кислотообразующий химический элемент – сера. Согласно правилам ИЮПАК в скобках римскими цифрами обозначается степень окисления атома элемента, а не валентность.

H₃⁺P⁺⁵O₄^-2 – ортофосфорная кислота; P₂⁺⁵O₅^-2 – ангидрид ортофосфорной кислоты, оксид фосфора (V). Ангидридом метафосфорной кислоты H⁺P⁺⁵O₃^-2 будет также оксид фосфора (V) P₂⁺⁵O₅^-2.

H₄⁺P₂⁺⁵O₇ ^-2 – дифосфорная кислота (пирофосфорная); P₂⁺⁵O₅^-2 – ангидрид пирофосфорной кислоты, оксид фосфора (V).

H₄⁺P₂⁺³O₅^-2 – дифосфористая кислота; P₂⁺³O₃^-2 – ангидрид дифосфористой кислоты, оксид фосфора (III).

В фосфорных кислотах кислотообразующим элементом является фосфор.

Анализируются и другие кислоты. В молекулах ортофосфорной и серной кислот величины степеней окисления атомов кислотообразующих элементов по абсолютному значению совпадают.

Выполнение разнообразных упражнений в аудитории и дома развивает умение четко определять величины степеней окисления атомов элементов в формуле любого соединения.

Следующий этап: использование модуля «Строение атома. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (П.С). Химическая связь». Здесь опирались на знания электронных формул атомов элементов, их положения в П.С., на знания их высших, низших, устойчивых и неустойчивых степеней окисления.

Акцентируем внимание на тот факт, что номер группы в П.С. показывает число валентных электронов и, соответственно, высшую степень окисления атомов этих элементов (конечно, кроме некоторых исключений).

При прохождении данного модуля студенты развивают умения и навыки определения возможностей атома элемента в данной степени окисления присоединять или отдавать определенное число электронов в химических реакциях.

Приводим примеры упражнений с ответами.