Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая химия. Часть I. Учебное пособие для самостоятельной подготовки студентов
.pdf
81
1000 л воды, то эту величину необходимо увеличить в 1000 раз. Количество
основанияькислотност
мМ
мM
ОНCa
ОНCaЭ
2
2
)(
)(
1
2
74
1
2
)(ОНCaЭ
мM
2
)(ОНСa
m
л
эквммоль
л
эквммоль
лэквммоль
лэквммоль
ммоль-экв извести Са(ОН)2 будет равно: 5,0 • 1000 = 5000 ммоль-экв Са(ОН)2
,
где М – молярная масса Са(ОН)2,мг; кислотность основания, равна 2.
= 37 мг/моль.
= 37 • 5000 = 185000 мг = 185 г Са(ОН)2 .
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
120. Вода, содержащая только сульфат магния, имеет жесткость
7
воды?
121. Вычислите жесткость воды, зная, что в 600 л ее содержится 65,7 г
гидрокарбоната магния и 61,2 г сульфата кальция.
122. В 1 м3 содержится 140 г сульфата магния. Вычислите жесткость воды.
123. Сколько граммов карбоната натрия надо добавить к 5 л воды, чтобы
устранить общую жесткость, равную 4,6
а) 53; б) 5; в) 1,22; г) 2,44; д) 4,6?
124. В 1 л воды содержится 48 мг ионов Мg2+ и 80 мг ионов Са2+ . Чему
равна общая жесткость воды?
а) 25
б) 2
. Сколько граммов сульфата магния содержится в 300 л этой
:
;
;
82
в) 10
лэквммоль
лэквммоль
лэквммоль
лэквммоль
лэквммоль
лэквммоль
лэквммоль
;
г) 7
д) 12,5
125. Гидрокарбонатная жесткость воды р. Невы равна
0,5
такой воды, чтобы устранить ее жесткость:
а) 37; б) 18,5; в) 74; г) 148; д) 9,25?
126. Чему равна временная жесткость воды
торой содержится 0,146 г. Мg(НСО3 )2 :
а) 4; б) 2; в) 0,146; г) 0,073; д) 1,0?
127. Жесткость некоторого водного бассейна равна 3,2 ммоль-экв/л и
обусловлена только сульфатом магния. Рассчитайте, сколько граммов МgSО4
содержится в 100 л этой воды:
а) 38,4; б) 3,2; в) 60; г) 120; д) 19,2?
;
?
. Сколько граммов Са(ОН)2 необходимо добавить к 1 м3
, в 1 л ко-
128. На судах Северного бассейна для внутрипарогенераторной обра-
ботки воды используют Nа3РО4 . Рассчитайте, сколько граммов Nа3РО4 необходимо прибавить к 500 л воды, чтобы устранить жесткость, равную
2
а) 109,4; б) 2,0; в) 54,6; г) 164; д) 10?
129. Для умягчения 500 л воды потребовалось 106 г Nа2СО3 . Рассчитай-
те жесткость подлежащей обработке воды
:
:
83
а) 4; б) 106; в) 2; г) 53; д) 8?
РАЗДЕЛ 6. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ.
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
При изучении данного раздела рекомендуется использовать литературу
[1, с. 251-257, 2, с. 81-93, 3, с. 181-183].
Вопросы, рассматриваемые в данном разделе:
1. Окислительно-восстановительные реакции.
2. Степень окисления и валентность.
3. Окислители и восстановители.
4. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.
5. Молярная масса электрохимического эквивалента вещества.
Введение
Окислительно-восстановительными реакциями называют реакции, протекающие с изменением степени окисления одного или нескольких участвующих в реакции атомов.
Степенью окисления или степенью окисленности называется условный
заряд на атоме в химическом соединении, вычисленный исходя из предполо-
жения, что все связи данного атома с другими атомами носят чисто ионный
характер.
Степень окисления может принимать положительное, отрицательное и
нулевое значения.
Положительная степень окисления определяется числом электронов, оттянутых от данного атома.
Отрицательная степень окисления определяется числом электронов,
притянутых к данному атому.
В отличие от степени окисления валентность определяется числом
электронов, используемых данным атомом для образования общих электрон-
84
ных пар, независимо от того притягиваются они к данному атому или наоборот оттягиваются от него. Валентность определяется числом без знака.
Во многих случаях численные значения валентности и степени окисления
совпадают, но встречаются исключения.
Степень окисления может быть приписана атому в любом химическом
соединении, следует руководствоваться только следующими основными
положениями:
1. Алгебраическая сумма степеней окисления любого соединения равна
нулю, т. е. молекула в целом электронейтральна.
2. Степень окисления простых веществ равна нулю.
3. Степень окисления фтора во всех соединениях равна (–1) (F
–1
).
4. Степень окисления кислорода во всех соединениях равняется (–2)
–2
(О
), за исключением пероксидов (соединений, имеющих группировку ато-
мов, -О-О-), где степень окисления кислорода равна (–1) (Н-О–1 - О–1 - Н) и
оксифторида ОF2 , где степень окисления кислорода равна (+2) (О+2 ).
5. Степень окисления водорода во всех соединениях равняется (+1) (Н+ ),
за исключением гидридов металлов (LiН, СаН2 и др.), где степень окисления
водорода равняется (–1) (Н
–1
).
6. Постоянную степень окисления в химических соединениях имеют
металлы 1 группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, главной подгруппы IА(+1) и металлы II группы, главной подгруппы IIА(+2).
7. Номер группы в периодической системе химических элементов
Д.И. Менделеева показывает максимальную степень окисления элемента
в соединении (как правило).
8. В бинарном химическом соединении элемент с большей электроотрицательностью имеет отрицательную степень окисления, а элемент с меньшей
электроотрицательностью – положительную степень окисления.
Под электроотрицательностью понимают способность атома в хими-
ческом соединении оттягивать на себя общую электронную пару.
85
Наибольшей электроотрицательностью обладает фтор. По периоду слева
2
O
2
3
O
2
O
2
3
O
направо наблюдается рост электроотрицательности, а в группах и подгруппах
сверху вниз электроотрицательность падает.
Процесс окисления-восстановления – процесс взаимный, если какое-либо
вещество (точнее элемент) окисляется, то другое вещество (точнее элемент)
восстанавливается. Окислителем называется вещество, содержащее элемент,
способный присоединить электроны. Восстановителем называется вещество,
содержащие элемент, способный отдавать электроны. Окисление – процесс
отдачи электронов. Восстановление – процесс присоединения электронов.
В ходе окислительно-восстановительной реакции окислитель – восстанавливается, а восстановитель – окисляется. В процессе проведения любой
окислительно-восстановительной реакции происходит процесс передачи
электронов от восстановителя к окислителю.
Типичные окислители: НNО3 (разб. и конц.), Н2SО4 (конц.), НСℓО4 и ее
соли, Н2Сr2О7 и ее соли, Н2СrО4 и ее соли, КВrО3, НМnО4 и ее соли, F2 , О2 ,
Сℓ2, Вr2 и ионы, содержащие металлы в высшей степени окисления Тi
3+
, Сu
2+
, Sn4+ и др.
Fе
4+
, Се4+,
Типичные восстановители: Н2S и ее соли, NН3, НСℓ, НВr, НI и их соли, металлы в виде простых веществ (Fе, Сu, Zn, Со, Ni и др.), ионы, содержащие металлы в низшей степени окисления (Тi2+, Fе2+, Сu+, Sn2+ и др.), ионы, содержащие
элементы в промежуточной степени окисления (N
3+
, S
4+
и др.).
Вещества с окислительно-восстановительной двойственностью: I2 ,
Н2O2, ионы, содержащие элементы в промежуточной степени окисления
(N
3+
, S
4+
и др.).
Для того, чтобы правильно составить уравнение окислительновосстановительной реакции, прежде всего, необходимо определить окислитель
и восстановитель, а также число отдаваемых и принимаемых ими электронов.
В основном для этой цели применяют два метода составления уравнений: метод электронного баланса и ионно-электронный метод.
86
Пример 1. На основании электронных уравнений расставьте коэффици-
Мn+7 + 5ē = Мn+2
2
восстановление;
N+3 – 2ē = N+5
5
окисление.
2
4
2
4
енты реакции, укажите окислитель и восстановитель:
КМnО4 + NаNО2 + Н2SО4 → МnSО4 + NaNО3 + К2SО4 + Н2О.
Решение. Определяя степени окисления атомов элементов реагирующих
веществ можно заметить, что степень окисления марганца понизилась от +7
до +2, а степень окисления азота повысилась от +3 до +5. Следовательно,
КМnО4 – окислитель, а NаNО2 – восстановитель.
Метод электронного баланса основан на определении общего количества электронов, переходящих от восстановителя к окислителю.
1. Составим схему электронного баланса реакции:
Учитывая, что электронный обмен является эквивалентным, по правилу
наименьшего кратного определяем общее число переходящих электронов: 10.
Найденные множители 2 и 5 представляют собой коэффициенты, стоящие
перед формулами окислителя и восстановителя в левой части уравнения, они
же – коэффициенты перед формулами их окисленной и восстановленной
форм в правой части уравнения:
этому по количеству кислотных остатков SO
уравнения можно подсчитать значение коэффициента для кислоты. Получаем: для того чтобы уравнять число ионов SO
уравнения необходимо участие трех молекул Н2SО4 .
чение коэффициента для воды 3Н2О. Окончательное уравнение реакции имеет вид:
2КМnО4 + 5NаNО2 + Н2SО4 → 2МnSО4 + 5NaNО3 + К2SО4 + Н2О.
2. Число ионов калия в левой и правой частях уравнения одинаково, по-
– в правой и левой частях
в правой и левой частях
3. По числу ионов водорода 6Н+ в левой части уравнения находим зна-
2КМnО4 + 5NаNО2 + 3Н2SО4 = 2МnSО4 + 5NaNО3 + К2SО4 + 3Н2О.
87
Правильность подбора коэффициентов реакции можно проверить, под-
2
4
23
ON
3
4
NО
2
– 2ē + Н2О = NО
3
+ 2Н+
5
МnО
4
+ 5ē + 8Н+ = Мn+2 + 4Н2О
2
2
4
3
2
4
3
считав количество атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. Эти
числа должны быть одинаковыми. При нахождении коэффициентов по этой
схеме необходимо иметь в виду, что в действительности в растворе присутст-
вуют ионы NО
и МnО
.
Ионно-электронный метод предусматривает составление электронноионных уравнений отдельно для процесса окисления и процесса восстановления. Далее эти раздельные уравнения складывают в общее ионное уравнение. Помимо частиц, изменивших в процессе реакции степень окисления,
в электронно-ионную схему реакции включают молекулы и ионы, которые
характеризуют среду. Кислую среду характеризуют Н+ , щелочную среду –
ионы ОН– , нейтральную среду – молекулы воды Н2О.
1. Составим электронно-ионную схему для рассмотренной выше реакции:
– 2ē + Н2О = N+5О
Мn+7О
+ 5ē + 8Н+ = Мn2+ + 4Н2О (восстановление).
+ 2Н+ (окисление);
Учитывая равенство числа отданных и принятых электронов, определяем основные коэффициенты уравнения:
2. Суммируя электронно-ионные уравнения почленно, с учетом расстав-
ленных коэффициентов, получим следующее уравнение:
5NО
– 10ē + 5Н2О + 2МnО
3. Сократив подобные члены в правой и левой частях этого уравнения,
получим ионное уравнение:
5NО
+ 2МnО
+ 10ē + 16Н+ = 5NО
+ 6Н+ = 5NО
+ 2Мn+2 + 3Н2О.
+ 10Н+ + 2Мn+2 + 8Н2О.
88
4. Перенесем полученные коэффициенты в основное или молекулярное
n
M
n
A
+5ē кислая среда – Мn2+
МnО
4
+3ē нейтральная среда – МnО2
+1ē щелочная среда – МnО
2
4
5
158
5
4
4
КМnО
КМnОЭ
M
M
3
158
3
4
4
КМnО
КМnОЭ
M
M
1
158
1
4
4
КМnО
КМnОЭ
M
M
6
722
722
ОCrК
ОCrКЭ
M
M
2
7
уравнение реакции:
2КМnО4 + 5NаNО2 + 3Н2SО4 = 2МnSО4 + 5NаNО3 + К2SО4 + 3Н2О.
Молярная масса электрохимического эквивалента вещества равна молярной массе М (молю) вещества (в граммах), деленной на количество отдан-
ных или принятых электронов (n), т. е. М
Э вещества
=
(22). Молярная масса
электрохимического эквивалента атома равна атомной массе элемента А
(в граммах), деленной на количество отданных или принятых электронов, т. е.
М
Э элемента
=
(23).
Так, молярная масса электрохимического эквивалента перманганата калия изменяется в зависимости от продуктов его восстановления по схеме
= 31,6 г/моль в кислой среде;
= 52,7 г/моль в нейтральной среде;
= 158 г/моль в щелочной среде.
Молярная масса электрохимического эквивалента дихромата калия
К2Сr2О7 равна
(
Молярная масса электрохимического эквивалента сульфата железа (II)
(FеSО4 ) равна
, так как Сr2О
+ 6ē + 14Н+ = 2Сr3+ + 7Н2О).
89
(
1
4
4
FeSО
FeSОЭ
M
M
, так как Fе2+ – 1ē = Fе
3+
).
Контрольные вопросы
1. Какие реакции называются окислительно-восстановительными?
2. Что называется степенью окисления атома? В чем отличие степени
окисления от валентности?
3. Какое вещество называется окислителем, какое – восстановителем?
4. Какие вещества могут проявлять окислительно-восстановительный
дуализм, т. е. проявлять окислительные и восстановительные свойства?
5. Чему равна молярная масса электрохимического эквивалента вещества?
6. Что называют сопряженной окислительно-восстановительной парой и
сколько их должно участвовать в окислительно-восстановительной реакции?
Чему соответствует каждая из них?
7. Укажите сопряженные окислительно-восстановительные пары в реакции, идущей по уравнению: НСℓО + НСℓ = Сℓ2 + Н2О. Какое вещество содержит в этом случае ОФ одной сопряженной пары и ВФ другой? Приведите
еще один аналогичный пример.
8. Что называют окислительно-восстановительными коэффициентами?
Какие существуют методы для их определения? Покажите сущность каждого и
объясните, в каких случаях и почему один из них предпочтительнее другого.
9. Если кислота, взятая в избытке, участвует в реакции как окислитель
или восстановитель, то совпадает ли для нее коэффициент в молекулярном
уравнении реакции с окислительно-восстановительным? Разберите эти случаи на примерах взаимодействия: меди с разбавленной азотной кислотой;
соляной кислоты с дихроматом калия.
10. Какие элементы в виде простых веществ являются: а) более сильными восстановителями (калий или медь, медь или золото); б) более сильными
окислителями (бром или йод, сера или хлор)?
Примеры решения задач
90
1. Составьте полное уравнение окислительно-восстановительной реакции:
12Сr62О27+К12
12
24
32
24
12
24+Н12
2
7
14Н+ + Сr2О
2
7
+ 3 • 2ē = 2Сr+3 + 7Н2О
1
S2– – 2ē = S0
3
2
7
2
7
К2Сr2О7 + К2S + Н2SО4 → Сr2(SО4 )3 + S + К2SО4 + Н2О.
Полуреакции запишите в виде ионно-электронных уравнений.
Решение
Определяем степени окисления каждого элемента во всех химических
соединениях этой реакции и находим те элементы, которые изменяют степень
окисления:
К
–2
S
+Н
S+6О
→Сr
(S+6О
)3 +S0 +К
S+6О
–2
О
.
Степень окисления изменяют хром и сера: Сr
+VI
(Сr
принимает 3ē, а S
ливается до Сr
+III
–II
отдает 2ē). Сr
–II
, а S
является восстановителем и окисляется до S0 . Со-
+VI
+VI
является окислителем и восстанав-
до Сr
+III
и S
–II
до S0
ставляем уравнение полуреакций в ионно-электронном виде. Поскольку среда кислая (реакция проводится в среде Н2SО4 ), то к окислителю или окис-
ленной форме кислородсодержащей частицы в уравнение полуреакции добавляем ионы Н+ , а к восстановителю или восстановленной форме – добавляем молекулы Н2О:
Сr2О
+ 3 • 2ē + 14Н+ = 2Сr+3 + 7Н2О
S2– – 2ē = S0
Суммируем левые и правые части уравнений полуреакций с учетом ко-
эффициентов, уравнивающих количество принятых и отданных электронов,
сокращаем подобные члены:
14Н+ + Сr2О
+ 6ē + 3S–2 – 6ē = 2Сr+3 + 7Н2О + 3S0
или:
14Н+ + Сr2О
+ 3S–2 = 2Сr+3 + 7Н2О + 3S0
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]