Диспропорционирование и сопропорционирование

9 заданий

Диспропорционирование

В некоторых окислительно-восстановительных реакциях окисляются и восстанавливаются атомы одного и того же элемента, имевшие до реакции одинаковую степень окисления. Часть атомов повышает степень окисления, а другая часть понижает её. Такой процесс называют диспропорционированием, или самоокислением-самовосстановлением. Исходная степень окисления при этом является промежуточной: элемент должен иметь возможность изменить её в обе стороны.

Например, при взаимодействии хлора со щёлочью продукты зависят от температуры. На холоду образуется гипохлорит, а при нагревании — хлорат. В обоих случаях одни атомы хлора окисляются, а другие восстанавливаются.

scienceПримеры диспропорционирования

\(\ce{Cl2 + 2NaOH -> NaCl + NaClO + H2O}\) — при взаимодействии хлора с холодным раствором щёлочи образуется гипохлорит натрия; его раствор называют жавелевой водой.
\(\ce{3Cl2 + 6KOH ->[t] 5KCl + KClO3 + 3H2O}\) — при нагревании хлора с раствором щёлочи образуется хлорат калия, или бертолетова соль.
\(\ce{4KClO3 ->[t] 3KClO4 + KCl}\) — при нагревании без катализатора бертолетова соль диспропорционирует с образованием перхлората и хлорида калия.
\(\ce{3S + 6NaOH ->[t] 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O}\) — при нагревании серы со щёлочью образуются сульфид и сульфит натрия.
\(\ce{P4 + 3NaOH + 3H2O -> PH3 ^ + 3NaH2PO2}\) — при взаимодействии белого фосфора со щёлочью образуются фосфин и гипофосфит натрия.
\(\ce{2NO2 + 2NaOH -> NaNO2 + NaNO3 + H2O}\) — при поглощении диоксида азота щёлочью образуются нитрит и нитрат натрия.
\(\ce{Cu2O + H2SO4 -> Cu v + CuSO4 + H2O}\) — в серной кислоте медь(I) диспропорционирует с образованием металлической меди и сульфата меди(II).

history_eduБертолле и «гремучая» соль

Клод Луи Бертолле получил хлорат калия в 1786 году, пропуская хлор в горячий раствор щёлочи. Он надеялся заменить им селитру в порохе, но смесь хлората с горючим оказалась слишком чувствительной: взрыв на пороховом заводе в Эссоне в 1788 году унёс жизни людей. Позднее хлорат стали применять в спичках и фейерверках.

boltПорядок уравнивания реакции диспропорционирования

Уравнивание удобно начинать с продуктов: электронный баланс показывает, сколько атомов элемента должно окислиться и сколько — восстановиться. Затем находят коэффициент перед исходным веществом и уравнивают остальные атомы. Для \(\ce{Cl2 -> Cl^- + ClO3^-}\) при образовании одного \(\ce{ClO3-}\) атом хлора отдаёт пять электронов, а каждый атом хлора, образующий \(\ce{Cl-}\), принимает один электрон. Поэтому на один \(\ce{ClO3-}\) приходится пять \(\ce{Cl-}\): всего требуется шесть атомов хлора, то есть три молекулы \(\ce{Cl2}\).

Сопропорционирование

В противоположном случае атомы одного элемента с разными исходными степенями окисления переходят в одну промежуточную степень окисления. Такой процесс называют сопропорционированием, или конпропорционированием. Например, при взаимодействии сероводорода с диоксидом серы образуется простое вещество — сера.

scienceСопропорционирование

\(\ce{2H2S + SO2 -> 3S + 2H2O}\) — в процессе Клауса из сероводорода, получаемого при переработке нефти, образуется сера.
\(\ce{KIO3 + 5KI + 3H2SO4 -> 3I2 + 3K2SO4 + 3H2O}\) — при взаимодействии иодата с иодидом в кислой среде образуется иод.
\(\ce{NH4NO2 ->[t] N2 ^ + 2H2O}\) — при нагревании нитрита аммония азот со степенями окисления \(-3\) и \(+3\) переходит в простое вещество; эту реакцию используют для получения азота в лаборатории.
\(\ce{NH4NO3 ->[t] N2O + 2H2O}\) — при нагревании нитрата аммония образуется оксид азота(I), известный как «веселящий газ».
\(\ce{KClO3 + 6HCl -> KCl + 3Cl2 ^ + 3H2O}\) — хлор со степенями окисления \(+5\) и \(-1\) сопропорционирует с образованием \(\ce{Cl2}\).
\(\ce{2FeCl3 + Fe -> 3FeCl2}\) — железная стружка восстанавливает железо(III) до железа(II) и тем самым помогает сохранять растворы железа(II).
\(\ce{Hg + HgCl2 -> Hg2Cl2}\) — при взаимодействии ртути с хлоридом ртути(II) образуется хлорид ртути(I), или каломель.

auto_awesomeСера из газа

Процесс Клауса (1883) — главный источник серы в мире: её извлекают из сероводорода природного газа и нефти. Сначала треть \(\ce{H2S}\) сжигают до \(\ce{SO2}\) (\(\ce{2H2S + 3O2 -> 2SO2 + 2H2O}\)). Затем полученный диоксид серы реагирует с оставшимся сероводородом на катализаторе. Жёлтые горы серы у газоперерабатывающих заводов видны со спутника.

errorСопропорционирование и внутримолекулярная ОВР

При разложении \(\ce{NH4NO2}\) меняют степень окисления атомы азота, входящие в разные ионы одной соли: азот окисляется и восстанавливается с образованием простого вещества. В реакции \(\ce{(NH4)2Cr2O7 ->[t] N2 + Cr2O3 + 4H2O}\), известной как «вулкан», окисляется азот, а восстанавливается хром. Это внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция, но не сопропорционирование: степени окисления меняют разные элементы.

Роль среды

Кислотность среды часто определяет, какое из превращений одного элемента будет протекать. Хлор в щёлочи диспропорционирует, а при подкислении смеси гипохлорита и хлорида из них вновь образуется хлор. Для иода сходным образом различаются реакции в щелочной и кислой среде.

Хлор в щёлочи диспропорционирует (\(\ce{Cl2 + 2OH- -> Cl- + ClO- + H2O}\)). При подкислении смеси хлорида и гипохлорита происходит сопропорционирование (\(\ce{Cl- + ClO- + 2H+ -> Cl2 ^ + H2O}\)).
Иод в щёлочи диспропорционирует по уравнению \(\ce{3I2 + 6OH- -> 5I- + IO3- + 3H2O}\). При подкислении смеси иодида и иодата протекает обратное превращение: \(\ce{IO3- + 5I- + 6H+ -> 3I2 + 3H2O}\).
Манганат устойчив только в сильнощелочной среде. При поглощении углекислого газа кислотность среды возрастает, и зелёный раствор становится малиновым; одновременно образуется бурый осадок: \(\ce{3MnO4^2- + 2H2O -> 2MnO4- + MnO2 v + 4OH-}\).

errorОпасность смешивания «Белизны» с кислотными средствами

При смешивании гипохлоритного отбеливателя с кислотным средством для сантехники выделяется хлор: \(\ce{NaClO + 2HCl -> NaCl + Cl2 ^ + H2O}\). Каждый год такое смешивание приводит к отравлениям.

auto_awesomeМинеральный хамелеон

При сплавлении \(\ce{MnO2}\) со щёлочью на воздухе образуется зелёный манганат. Его раствор постепенно меняет цвет на синий, фиолетовый, малиновый; за это алхимики назвали его «минеральным хамелеоном». Изменение окраски связано с диспропорционированием манганата по мере поглощения углекислого газа из воздуха.

scienceВлияние среды на превращения марганца и иода

\(\ce{2MnO2 + 4KOH + O2 ->[t] 2K2MnO4 + 2H2O}\) — при нагревании оксида марганца(IV) со щёлочью на воздухе получают манганат калия.
\(\ce{3K2MnO4 + 2CO2 -> 2KMnO4 + MnO2 v + 2K2CO3}\) — при взаимодействии манганата с углекислым газом образуется перманганат; раньше его получали этим способом.
\(\ce{3I2 + 6NaOH -> 5NaI + NaIO3 + 3H2O}\) — в щёлочи иод превращается в иодид и иодат натрия, а при подкислении их смеси вновь образуется иод.

push_pinГлавное

При диспропорционировании атомы элемента с одинаковой исходной степенью окисления одновременно окисляются и восстанавливаются. Температура влияет на продукты реакции хлора со щёлочью: на холоду протекает \(\ce{Cl2 + 2NaOH -> NaCl + NaClO + H2O}\), а при нагревании — \(\ce{3Cl2 + 6KOH ->[t] 5KCl + KClO3 + 3H2O}\). К реакциям диспропорционирования также относятся \(\ce{3K2MnO4 + 2H2O -> 2KMnO4 + MnO2 + 4KOH}\) и \(\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}\). При сопропорционировании атомы одного элемента с разными степенями окисления переходят в одну промежуточную: \(\ce{2H2S + SO2 -> 3S + 2H2O}\), \(\ce{IO3- + 5I- + 6H+ -> 3I2 + 3H2O}\), \(\ce{NH4NO2 ->[t] N2 + 2H2O}\). Хлор и иод диспропорционируют в щёлочи, а их соединения с разными степенями окисления могут сопропорционировать в кислой среде; манганат устойчив лишь в сильной щёлочи.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.