Урок химии в 11-м классе по теме "Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций различными способами"

Разделы: Химия

Цели урока:

  • углубить знания по составлению уравнений ОВР методом электронного баланса;
  • изучить ионно-электронный метод составлению уравнений ОВР, показать его преимущества в формировании умений прогнозирования направления протекания ОВР в растворах.
  • закрепить умения по составлению уравнений ОВР, протекающих в различных средах;

Задачи урока.

Познакомить учащихся ещё с одним способом составления уравнений ОВР.

Оборудование и реактивы:

  • персональный компьютер, проектор, презентация;
  • раствор соляной кислоты и кусочки цинка, железные гвозди и раствор медного купороса, пробирки в штативе на каждом столе;
  • инструкция “Алгоритм составления уравнений ОВР методом электронного баланса”;
  • инструкции “Алгоритм составления уравнений ОВР ионно-электронным методом”;
  • таблицы: “Окислители и восстановители”.

Тип урока: усвоение новых знаний с применением имеющихся знаний и умений с последующим обобщением и систематизацией.

Методы.

  • Словесные (беседа, объяснение).
  • Наглядные (компьютерная презентация, инструкции, таблицы).
  • Практические (демонстрация и выполнение опытов).

План урока.

  1. Актуализация знаний.
  2. Повторение основных теоретических понятий темы: ОВР, окислители, восстановители, процессы окисления и восстановления.
  3. Составлению уравнений ОВР методом электронного баланса, его недостатки.
  4. Ионно-электронный метод составления уравнений ОВР, его преимущества.

Ход урока

1. Актуализация знаний.

Окислительно-восстановительные реакции представляют собой единство двух противоположных процессов - окисления и восстановления. В этих реакциях число электронов, отдаваемых восстановителями, равно числу электронов, присоединяемых окислителями. При этом независимо от того, переходят ли электроны с одного атома на другой полностью или лишь частично, оттягиваются к одному из атомов, условно говорят только об отдаче или присоединении электронов.

Окислительно-восстановительные процессы принадлежат к числу наиболее распространенных химических реакций и имеют огромное значение в теории и практике. С ними связаны процессы обмена веществ, протекающие в живом организме, гниение и брожение, фотосинтез. Окислительно-восстановительные процессы сопровождают круговороты веществ в природе. Их можно наблюдать при сгорании топлива, в процессах коррозии металлов, при электролизе и выплавке металлов. С их помощью получают щёлочи, кислоты и другие ценные продукты. Они лежат в основе преобразования энергии взаимодействующих химических веществ в электрическую энергию в гальванических и топливных элементах. Человечество давно пользовалось ОВР, вначале не понимая их сущности. Лишь к началу 20-го века была создана электронная теория окислительно-восстановительных процессов.

Повторение основных теоретических понятий темы: ОВР, окислители, восстановители, процессы окисления и восстановления. (Слайд 4). Презентация

Какие химические реакции относятся к окислительно-восстановительным, мы узнали в 8 классе, тогда же научились составлять уравнения этих реакций методом электронного баланса. В последствии, в 9 и 10 классе, мы отмечали, что в любой ОВР один из участников – восстановитель отдает электроны, окисляется, то есть повышает свою степень окисления, а другой – окислитель принимает электроны, восстанавливается, то есть понижает степень окисления. Поэтому, если оба её участника находятся в высшей (окислители: КМn+7О4 + HN+5O3) или низшей степени окисления (восстановители: H2S-2 + HCl-1), то реакция невозможна.. Если же один из участников может повысить, а другой понизить свои степени окисления, реакция в принципе возможна (HCl-1 + HN+5O3—>).

Поэтому, прежде чем написать уравнение реакции, протекающей в смеси заданных веществ, нужно ответить на следующие вопросы:

  • Возможна ли в принципе ОВР между данными веществами?
  • Если да, то установить продукты реакции.
  • Подобрать коэффициенты в уравнении реакции.

Задание №1. Определите, возможна ли в принципе ОВР между данными веществами? Если да, то определите восстановитель и окислитель в реакции. (Слайд 5)

KMnO4 + FeS O4 + H2SO4 —> FeCl3 + HNO3 (конц.) —>

.P + HNO3 + Н2О —> … K2Cr2O7 + HCl —>

K2Cr2O7 + HNO3 —>

Выполнение лабораторных опытов.

  1. Взаимодействие раствора соляной кислоты с цинком;
  2. Взаимодействие железного гвоздя и раствора медного купороса

Вывод после проведения опытов: к ОВР обязательно относятся все реакции замещения и реакции, в которых присутствуют простые вещества.

2. Составление уравнений ОВР методом электронного баланса, его недостатки.

Метод электронного баланса основан на сравнении степеней окисления в исходных и конечных веществах, когда известны все исходные вещества и продукты реакции. (Слайд 6) Этот метод хорошо знают и используют все учащиеся при расстановке коэффициентов. И данным методом действительно удобно пользоваться и в неорганической и органической химии, конечно, если даны полные схемы реакций.

Алгоритм составления уравнений ОВР методом электронного баланса. (Приложение 1)

Работа у доски: (Слайд 7)

1. Записать схему реакции:

2. Определить, атомы, каких элементов изменяют степень окисления:

3. Составить электронные уравнения процессов окисления и восстановления:

4. Умножить полученные электронные уравнения на наименьшие множители для установления баланса по электронам:

5. Перенести множители из электронных уравнений в молекулярное уравнение реакции:

6. Проверить выполнение закона сохранения массы (число атомов каждого элемента в левой и правой части уравнения должно быть одинаковым) и, если требуется, ввести новые или изменить полученные коэффициенты:

Вывод: Данным способом расстановки коэффициентов удобно пользоваться, если известны исходные вещества и продукты реакции, т.е. даны полные схемы реакций.

3. Ионно-электронный метод составления уравнений ОВР, его преимущества.

Если ОВР протекает в водных растворах и участники реакции не очевидны, то удобнее использовать метод электронно-ионного баланса (другое название – метод полуреакций). А именно такие схемы реакций, в которых не известны некоторые исходные вещества и продукты реакции, даны в заданиях С1 единого государственного экзамена. Сегодня мы познакомимся с особенностями протекания ОВР в водных растворах, научимся определять продукты реакции, используя специфический для таких реакций метод составления их уравнений. (Слайд 8).

Метод полуреакций, или ионно-электронный метод составления ОВР заключается в том, что для окислительных и восстановительных процессов в отдельности записываются уравнения полуреакций. Затем их уравнивают отдельно, умножают на коэффициенты, чтобы получить общее уравнение, в котором соблюдены законы сохранения массы и заряда, и складывают. Метод на первый взгляд кажется громоздким, но он имеет жесткий алгоритм исполнения, что удобно и полезно.

Алгоритм составления уравнения ОВР методом электронно-ионного баланса

(Слайд 9) (Приложение 2):

  • Составить перечень веществ и частиц, присутствующих в системе до начала реакции.
  • Найти среди них окислитель и восстановитель; определить реакцию среды.
  • Составить уравнение полуреакции окислителя.
  • Составить уравнение полуреакции восстановителя.
  • Уравнять число принятых и отданных электронов.
  • Составить ионное уравнение.
  • Составить молекулярное уравнение.

Составляя этим методом уравнений ОВР, необходимо учитывать следующие основные правила:

1) при составлении уравнений полуреакций можно использовать только те вещества и частицы, которые присутствуют в данной системе;

2) продуктами полуреакций могут быть только те вещества и частицы, которые устойчивы в данной системе;

3) при составлении уравнения полуреакции окислителя нельзя использовать частицы восстановителя и, наоборот, при составлении уравнения полуреакции восстановителя нельзя использовать частицы окислителя.

Рассмотрим взаимодействие дихромата калия К2Сг207 с соляной кислотой. (Работа у доски)

1. Запишим в левой части уравнения формулы исходных веществ.

Для создания в растворах кислой среды обычно пользуются серной кислотой. Соляная и азотная кислоты применяются редко, так как первая (НСl) способна окисляться, а вторая (НNО3) сама — сильный окислитель.

2. Определим окислитель и восстановитель.

Ион Сг2072-, содержащий хром в его высшей степени окисления, может быть только окислителем. В кислой среде степень окисления хрома понижается — он восстанавливается в Сг3+. Ионы С1- могут только окисляться – он восстановитель.

3. Составим схемы электронно-ионных уравнений полуреакций для процессов окисления и восстановления.

Полуреакция окисления: 2СГ - 2е = С12.

Полурсакция восстановления. Начинать подбор ее коэффициентов следует с уравнивания числа атомов элемента, который меняет свою степень окисления, в данном случае - хрома: Сг2072-—> 2Сг3+.

4. Проверим число атомов кислорода в каждом уравнении полуреакции слева и справа и уравняйте их. Уравниваем число атомов кислорода. Они превращаются в молекулы воды, степень окисления кислорода в которых та же, что и в Сг2072-. Для этого необходимо в левую часть добавить ионы Н+, которые заведомо имеются в растворе (среда кислая): Сг2072- + 14Н+ = 2Сг3+ + 7Н20.

Одновременно с атомами кислорода при этом уравнивается и число атомов водорода.

5. Проверим число атомов каждого элемента в левой и правой частях схем уравнений окисления и восстановления.

6. Проверим равенство сумм зарядов до и после реакции, в соответствии с законом электронейтральности — суммарное число зарядов продуктов реакции должно быть равно

суммарному числу зарядов исходных веществ.

В нашей записи суммарный заряд всех ионов слева +12, а справа +6, поэтому для баланса нужно добавить в левую часть нашего выражения 6 электронов, каждый из которых несет заряд — 1. В результате получим уравнение: Сг2072- + 14Н+ + бе = 2Сг3+ + 7Н20.

7. Подберем коэффициенты для окислителя и восстановителя согласно закону сохранения энергии (материи) - общее число электронов, отданных восстановителем и принятых окислителем, должно быть равным.

Сг2072- + 14H+ + 6e= 2Cr3+ + 7Н20     1

2С1- - 2е = С12                                     3

8. Суммируйте правые и левые части электронно-ионных уравнений, предварительно умножив соответствующие части на подобранные коэффициенты. Сг2072- + 14Н+ + 6СГ = 2Cr3++ 7Н20 + ЗС12,

9. Сократим подобные члены в правой и левой частях уравнения.

10. Перепишем ионное уравнение.

11. По ионному уравнению составим молекулярное, для этого необходимо в правой и левой частях уравнения каждому аниону приписать соответствующее число катионов, а

каждому катиону приписать соответствующее число анионов. Скомпонуйте ионы в молекулы.

В данном случае источником ионов Сг2072- была соль К2Сг207, поэтому с каждым молем Сг2072- в раствор попадает 2 моль ионов К+. В реакции они участия не принимают, поэтому в неизмененном виде должны перейти в правую часть. Вместе с 14 моль ионов Н+ в раствор вносится 14 моль ионов СГ. Из них 6 участвует в реакции в качестве восстановителя, а остальные 8, как и ионы К+, в неизмененном виде остаются после реакции, т. е. дописываются в правую часть. Проделав это, получим:

Сг2072- + 14Н+ + 6СГ + 2К+ + 8С1- = 2Сг3+ + 7Н20 + ЗС12 + 2К+ + 8С1-

После этого можно объединить ионы в формулы реальных веществ:

К2Сг207 + 14НС1 = 2СгС13 + ЗС12 + 2КС1 + 7Н20.

Правила уравнивания атомов кислорода и водорода при составлении полуреакций: (Слайд 10)

Преимущества электронно-ионного метода:

1. Рассматриваются реально существующие ионы:

2. Не нужно знать все получающиеся вещества, они появляются при его выводе.

3. При использовании этого метода нет необходимости определять степени окисления атомов отдельных элементов, что особенно важно в случае ОВР, протекающих с участием органических соединений, для которых подчас очень сложно сделать это.

4. Этот метод дает не только сведения о числе электронов, участвующих в каждой полуреакции, но и о том, как изменяется среда.

5. Сокращенные ионные уравнения лучше передают смысл протекающих процессов и позволяют делать определенные предположения о строении продуктов реакции.

6. Видна роль среды как активного участника всего процесса.

Самостоятельная работа (15 мин.): (Слайды 11, 12, 13, 14)

Закрепление. Составьте уравнение одной из 2 предложенных ОВР ионно-электронным методом или методом электронного баланса.

KMnO4 + FeSO4 + H2SO4—> Fe2(SO4)3 + …

CrCl3 + Br2 + КОН > К2CrO4 + KBr + …

(Анализ самостоятельной работы показал, что с работой справились все учащиеся, отдавая предпочтение ионно-электронному методу подбора продуктов реакции и коэффициентов).

Вывод: Если в ОВР не указаны продукты реакции, то удобнее использовать метод электронно-ионного баланса, который позволяет подобрать их, используя четкий алгоритм исполнения, что удобно и полезно.

Домашнее задание: (Слайд 15, 16)

Задание 2. Используя метод электронного баланса (или метод электронно-ионного баланса), составьте уравнения любых 3 реакций.

Определите окислитель и восстановитель.

K2Cr2O7 + HCl —> Cl2 + KCl + … + …

KMnO4 + H2S + H2SO4 —> Mn SO4 + S + …+ …

KMnO4 + … —> Cl2 + MnCl2 + … + …

H2S + HMnO4 —> S + MnO2 + …

KMnO4 + KBr + H2SO4 —> MnSO4 + Br2 + … + …

Вывод по итогам занятия: Учащиеся проявляют повышенный интерес к данной теме, они осознают важность и необходимость владения рассмотренным материалом, понимают, что полученные знания помогут им успешно выполнить задания ЕГЭ.

Анализ самостоятельной работы показал, что с работой справились все учащиеся, отдавая предпочтение ионно-электронному методу подбора продуктов реакции и коэффициентов.

Используемые информационные источники:

  1. Л.С. Гузей. Материалы курса “Фундаментальные понятия общей химии в школьном курсе”. Лекции 1-8. М.: Педагогический университет “Первое сентября”, 2006.
  2. Н.Б. Сухоржевская. Применение метода полуреакций в органической химии..//Приложение к газете “Первое сентября”, Химия .№ 20, 1996 г.
  3. http://www.chem.msu.su/rus/school/zhukov/18.html
  4. http://cor.edu.27.ru/dlrstore/0000002e-1000-4ddd-97d5-460046642032/2109440o2.pdf
  5. http://e-ypok.ru/ege_chemistries_c1
  6. http://c-vs.edusite.ru/DswMedia/sistemarabotyi.doc
  7. https://urok.1sept.ru/articles/500378

Приложение 3