Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ТДП / ТДП 1 курс / Общая химия.Жарский.2007

.pdf
Скачиваний:
57
Добавлен:
09.03.2016
Размер:
1.03 Mб
Скачать

MnO+ 8H+

→ Mn2+ + 4H

2

O

4

 

 

 

2Cl

→ Cl

2

 

 

 

 

 

 

5. Определяют суммарные заряды в левых и правых частях полуреакций и добавлением или вычитанием электронов уравнивают заряды:

MnO

+ 8H+ + 5e= Mn2+ + 4H

2

O

1

 

4

4 43

 

1

44 2

4

 

 

44 2

 

43

 

 

+7

 

 

+2

 

 

 

 

2Cl

− 2e= Cl

2

 

 

 

 

 

{

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{

 

 

 

 

 

−2

0

 

6. Устанавливают дополнительные множители для окислителя и восстановителя на основании того, что число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых окислителем:

MnO+ 8H+ + 5e= Mn2+ + 4H

 

 

 

 

2

O

5

 

2

4

 

 

 

10

 

2Cl− 2e= Cl

 

 

 

2

5

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Первую полуреакцию умножают на два, вторую – на пять и складывают правые и левые части полуреакций, в результате чего получают суммарное ионно-молекулярное уравнение реакции:

MnO+ 8H+ + 5e= Mn2+ + 4H

 

 

 

 

 

 

 

2

O

5

 

 

2

 

 

4

 

 

 

 

 

10

 

 

 

2Cl− 2e= Cl

 

 

 

2

 

5

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2MnO+ 16H+

+ 10Cl= 2Mn2+

+ 8H

2

O + 5Cl

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Записывают окончательное уравнение в молекулярной форме: 2KMnO-4 + 16HCl = 2MnCl2 + 8H2O + 5Cl2 + 2KCl .

Пример 1. Запишите уравнение реакции следующего процесса:

H2SO4(конц) + Mg

Уравняйте электронным и ионно-электронным способами. Решение. Так как магний относится к активным металлам, то

концентрированная серная кислота будет восстанавливаться до H2S:

+1 +6 −2

 

 

 

0

 

 

 

+2 +6 −2

+1 −2

+1 −2

H2 S O4 (конц)

+ Mg → Mg S O4

+ H2 S

+ H2 O .

Электронный баланс:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mg0 – 2 e= Mg+2

 

2

 

8

 

4

 

– восстановитель, процесс окисления

 

 

 

 

S+6 + 8e= S–2

 

8

 

 

1

 

 

– окислитель, процесс восстановления

91

Метод полуреакций.

Схема реакции в ионно-молекулярной форме:

H+ + HSO+ Mg → Mg2+ + SO2− + H S + H

O .

 

 

 

4

 

 

4

 

 

2

2

 

Записываем полуреакции в соответствии с правилом кислой

среды и электронным балансом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HSO

+ 9H+ + 8e

= H S + 4H

 

 

 

 

 

 

2

O

8

 

1

 

 

1

4

4 43

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

44 2

4 2

4 3

 

 

 

8

 

 

 

 

 

+8

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mg − 2e= Mg2+

 

 

 

 

 

 

 

2

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

HSO

+ 9H+ + 4Mg = H S + 4H

2

O + 4Mg2+

 

 

4

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В молекулярной форме:

5H2SO4(конц) + 4Mg = 4MgSO4 + H2S + 4H2O .

Пример 2. Запишите уравнение реакции взаимодействия концентрированной азотной кислоты с фосфором и уравняйте электронным и ионно-электронным способами. Вычислите молярную массу эквивалента окислителя.

Решение. Фосфор (неметалл) восстанавливает HNO3(конц) до NO, а сам окисляется до кислоты в максимальной степени окисления

(H3PO4):

 

 

+1 +5 −2

 

 

0

 

 

+1 +5 −2

 

 

 

+2 −2

 

 

 

 

 

 

 

H N O3 (конц) +

P

 

→ H3

P

O4 + N O.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электронный баланс:

 

 

→ P+5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P0 – 5 e

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N+5 + 3e→ N+2

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mетод полуреакций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема реакции в ионно-молекулярной форме:

 

 

 

 

 

 

 

H+ + NO+ P → H

PO

4

+ NO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Записываем полуреакции как описано выше:

 

 

 

 

 

 

NO

+ 4H+ + 3e

= NO + 2H

 

 

 

 

5

 

 

 

2

O

3

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 4 2 4 3

 

 

1 4 2 4 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3

 

O − 5e

 

 

 

 

 

 

 

0

 

5H+

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

 

P + 4H

 

= H

PO

 

+

 

 

 

5

 

3

 

 

 

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

1 4 2

 

 

 

 

3

 

4

43

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

43

 

 

1 44 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

+5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5NO+ 20H+ + 3P + 12H

2

O = 5NO + 10H

2

O + 3H

3

PO

4

+ 15H+

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приводим подобные и получаем сокращенное уравнение:

92

5NO3+ 5H+ + 3P + 2H2O = 5NO + 3H3PO4 .

Окончательное уравнение в молекулярной форме имеет вид: 5HNO3 + 3P + 2H2O = 3H3PO4 + 5NO .

Молярную массу эквивалента окислителя (HNO3) рассчитываем по формуле

M (1 HNO3 ) =

M (HNO3 )

=

63

= 21

г/моль.

число электронов

3

z

 

 

 

Пример 3. Запишите уравнение реакции взаимодействия перманганата калия с нитритом натрия в присутствии гидроксида калия. Уравняйте ионно-электронным способом, укажите окислитель и восстановитель. Каковы внешние признаки протекающей реакции?

Решение. Окислителем является KMnO4, поскольку имеет в своем составе атом Mn+7, находящийся в максимальной степени окисления. NaNO2 – восстановитель, так как у атома азота промежуточная степень окисления +3. KOH является средой. В щелочной среде ион MnO4(Mn+7) восстанавливается до MnO42– (Mn+6). Анион NO2(N+3)

будет окисляться до NO3

(N+5). Схема реакции имеет вид:

+1 +7 −2

+1 +3 −2

+1 −2 +1

+1 +6 −2

+1 +5 −2

+1 −2

K Mn O4

+ Na N O2

+ K O H

→ K2 Mn O4

+ Na N O3

+ H2 O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема реакции в ионно-молекулярной форме:

K+ + MnO4 + Na+ + NO2 + K+ + OH→ 2K+ + MnO24+ Na+ + NO3+ H2O

Записываем полуреакции, используя правило щелочной среды:

MnO

+ 1e

= MnO2−

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NO

+ 2OH− 2e= NO+ H

O

2

2

 

1

 

 

1

2

 

4

43

1 4

3

2

2

 

 

 

 

 

 

 

44 2

 

4 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−3

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2MnO

+ NO

+ 2OH= 2MnO2−

+ NO

+ H

O

 

 

4

 

 

2

 

 

 

4

3

2

 

Окончательное уравнение в молекулярной форме имеет вид: 2KMnO4 + NaNO2 + 2KOH = 2K2MnO4 + NaNO3 + H2O

Фиолетовый раствор KMnO4 превращается в изумрудно-зеленый раствор K2MnO4.

Контрольные задания

221. Укажитестепеньокисленияазотавприведенныхчастицах: N2H4, NH4+, HNO3, NO2, NO2, NO3. Определите, какие из приведенных частиц

93

обладают только окислительными свойствами. Приведите примеры соответствующих реакций, составьте уравнения электронного баланса.

222.Укажите степень окисления серы в приведенных частицах: S2– ,

SO2, HSO3, H2S, SO42– , SO3. Установите, какие из приведенных частиц обладают только восстановительными свойствами. Приведите примеры соответствующих реакций, составьте уравнения электронного баланса.

223.Укажите степени окисления элементов в приведенных

соединениях: F2, H2O2, NaNO2, K2Cr2O7, NH4Cl, MnO2. Определите,

какие из приведенных соединений проявляют окислительно- восстанови-тельную двойственность. Приведите примеры соответствующих реакций, составьте уравнения электронного баланса.

224.Какие из перечисленных реакций относятся к окислительновосстановительным? Для ОВР составьте уравнения электронного баланса, укажите окислитель, восстановитель и тип ОВР:

SeO2 + NaOH →

Zn + H2SO4(разб)

AgNO3

¾¾®

CaCl2 + K2CO3

 

t

 

NO2 + NaOH →

225. Назовите, какие из перечисленных реакций относятся к окислительно-восстановительным. Для ОВР составьте уравнения электронного баланса, укажите окислитель, восстановитель и тип ОВР:

NH3 + H2SO4

S + KOH →

PbS + H2O2

MgO + P2O5

Cu(NO3)2 ¾¾®

 

t

 

226. Какие из перечисленных реакций относятся к окислительновосстановительным? Для ОВР составьте уравнения электронного баланса, укажите окислитель, восстановитель и тип ОВР:

N2O4 → NO2

KNO3

¾¾®

 

 

t

AgNO3 + HCl →

Cl2 + KOH →

S + HNO3(конц)

 

 

227. Назовите, какие из перечисленных реакций относятся к окислительно-восстановительным. Для ОВР составьте уравнения электронного баланса, укажите окислитель, восстановитель и тип ОВР:

LiH + H2O →

Ba(NO3)2

+ Na2SO4

P2O5 + NaOH →

Al(NO3)3

¾¾®

 

 

t

K2MnO4 + H2SO4

 

228. Какие из перечисленных реакций относятся к окислительно-

94

восстановительным? Для ОВР составьте уравнения электронного баланса, укажите окислитель, восстановитель и тип ОВР:

Zn + HNO3(оч. разб)

CuO + HCl →

(NH4)2Cr2O7 ¾¾®

Ca(OH)2 + NO2

t

 

Ba(OH)2 + H3PO4

 

229.Напишите уравнения реакций взаимодействия перманганата калия с нитритом натрия: а) в кислой среде; б) нейтральной среде; в) щелочной среде. Составьте уравнения электронного баланса, укажите окислитель, восстановитель.

230.Закончите приведенные ниже реакции, уравняйте их электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) Cu + H2SO4(конц)

в) KMnO4 + Na2SO3 + H2O →

б) Mg + HNO3(разб)

 

231. Закончите нижеприведенные реакции, уравняйте их электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) Sr + H2SO4(конц)

в) K2Cr2O7 + NaNO2 + H2SO4

б) Ag + HNO3(разб)

 

232. Закончите приведенные ниже реакции, уравняйте их электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) P + H2SO4(конц)

в) KMnO4 + NaNO2 + KOH →

б) Zn + HNO3(оч. разб)

 

233. Закончите нижеприведенные реакции, уравняйте их электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) C + H2SO4(конц)

в) K2Cr2O7 + NaI + H2SO4

б) Hg + HNO3(разб)

 

234. Закончите приведенные ниже реакции, уравняйте их электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) As + H2SO4(конц)

в) KMnO4 + SO2 + KOH →

 

б) Bi + HNO3(конц)

 

 

 

 

235. Закончите

нижеприведенные

реакции,

уравняйте

их

электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

 

а) Ca + H2SO4(конц)

в) K2Cr2O7 + Na2S + H2SO4

 

б) Pb + HNO3(конц)

 

 

 

 

236. Закончите

приведенные

ниже

реакции,

уравняйте

их

95

электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) Ca + HNO3(конц)

в) KMnO4 + H2O2

б) B + HNO3(конц)

 

237. Закончите нижеприведенные реакции, уравняйте их электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) Ag + HNO3(конц)

в) KBr + MnO2 + H2SO4

б) Al + H2SO4(разб)

 

238. Закончите приведенные ниже реакции, уравняйте их электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) As + HNO3(конц)

в) KMnO4 + H2O2 + H2SO4

б) Mg + HNO3(разб)

 

239. Закончите нижеприведенные реакции, уравняйте их электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) HNO3(конц) + C →

в) K2Cr2O7 + H2S + H2SO4

б) H2SO4(конц) + Bi →

 

240. Закончите приведенные ниже реакции, уравняйте их электронным методом и укажите окислитель и восстановитель:

а) HNO3(конц) + S →

в) Cr2(SO4)3 + Cl2 + KOH →

б) H2SO4(конц) + Na →

 

241. Закончите нижеприведенные реакции, уравняйте их ионноэлектронным методом. Вычислите молярные массы эквивалентов восстановителей:

a) FeSO4 + Br2 + H2SO4 → б) H2SO3 + H2S →

242. Закончите приведенные ниже реакции, уравняйте их ионноэлектронным методом. Рассчитайте молярные массы эквивалентов окислителей:

а) KMnO4 + KNO2 + H2O → б) KClO3 + HCl →

243. Закончите нижеприведенные реакции, уравняйте их ионноэлектронным методом. Определите молярные массы эквивалентов окислителей:

а) FeSO4 + H2O2 + H2SO4 → б) KMnO4 + Na2SO3 + KOH →

244. Закончите приведенные ниже реакции, уравняйте их ионноэлектронным методом. Вычислите молярные массы эквивалентов восстановителей:

96

а) CrCl3 + NaClO + NaOH → б) NaI + NaNO2 + H2SO4

245. Закончите нижеприведенные реакции, уравняйте их ионно-элек- тронным методом. Рассчитайте молярные массы эквивалентовокислителей:

а) KClO3 + MnO2 + NaOH → б) K2Cr2O7 + HI →

246. Закончите приведенные ниже реакции, уравняйте их ионноэлектронным методом. Определите молярные массы эквивалентов восстановителей:

а) K2MnO4 + KNO2 + H2SO4 → б) CrCl3 + H2O2 + KOH →

247. Закончите нижеприведенные реакции, уравняйте их ионноэлектронным методом. Вычислите молярные массы эквивалентов окислителей:

а) K2MnO4 + K2S + H2SO4 → б) Fe(OH)3 + NaClO + NaOH →

248. Закончите приведенные ниже реакции, уравняйте их ионноэлектронным методом. Рассчитайте молярные массы эквивалентов восстановителей:

а) KCrO2 + Br2 + KOH →

б) H3PO3 + KMnO4 + H2SO4

249.Вычислите молярную массу эквивалента азотной кислоты в реакциях взаимодействия: а) с гидроксидом кальция; б) фосфором. Напишите уравнения реакций, для ОВР составьте ионно-электронный баланс.

250.Определите молярную массу эквивалента сульфата железа (II)

вреакциях взаимодействия: а) с гидроксидом натрия; б) бромом в растворе серной кислоты. Напишите уравнения реакций, для ОВР составьте ионно-электронный баланс.

251.Рассчитайте молярную массу эквивалента сульфата марганца (II) в реакциях взаимодействия: а) с гидроксидом натрия; б) хлором в щелочной среде. Напишите уравнения реакций, для ОВР составьте ионно-электронный баланс.

252.Вычислите молярную массу эквивалента дихромата калия в реакциях взаимодействия: а) с хлоридом бария; б) сульфатом железа (II)

вкислой среде. Напишите уравнения реакций, для ОВР составьте ионно-электронный баланс.

253.Определите молярную концентрацию эквивалента 0,1 М раствора нитрита калия: а) если он является восстановителем, окисляясь при этом до нитрата; б) если он является окислителем, восстанавливаясь при этом до оксида азота (II). Напишите соответствующие полуреакции.

254.В 1 л раствора содержится 10,05 г хлорной кислоты.

97

Рассчитайте молярную концентрацию эквивалента HClO4 в реакциях взаимодействия: а) с гидроксидом натрия; б) оксидом серы (IV) (HClO4 восстанавливается до HCl). Напишите соответствующие полуреакции для ОВР.

255.Какова молярная концентрация эквивалента 1 М раствора

нитрита калия: а) как восстановителя, если KNO2 окисляется в KNO3; б) как окислителя, если KNO2 восстанавливается до NO? Напишите соответствующие полуреакции этих процессов.

256.Вычислите молярную концентрацию эквивалента 10%-ного раствора иодата калия как окислителя (ρ(р-ра) = 1,09 г/см3). Иодат калия восстанавливается до свободного иода. Напишите соответствующую полуреакцию этого процесса.

257.К подкисленному раствору иодида калия добавили 80 мл

0,15 н. раствора перманганата калия. Определите массу выделившегося иода. Напишите уравнение реакции, составьте ионноэлектронный баланс.

258.Сколько миллилитров 0,01 н. раствора перманганата калия

можно восстановить в присутствии серной кислоты с помощью 100 мл сероводорода (0°С и 101,3 кПа)? Напишите уравнение реакции, составьте ионно-электронный баланс.

259.Сколько миллилитров 0,25 н. раствора дихромата калия следует прибавить к подкисленному серной кислотой раствору иодида калия для выделения 0,1 моля иода? Напишите уравнение реакции, составьте ионно-электронный баланс.

260.Сколько граммов нитрита калия можно окислить в щелочной среде 50 мл 0,05 н. раствора перманганата калия? Напишите уравнение реакции, составьте ионно-электронный баланс.

98

12.ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ИНАПРАВЛЕНИЕ ПРОТЕКАНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ

Протекание окислительно-восстановительных реакций сводится к передаче электронов от восстановителя к окислителю. Можно создать условия, когда взаимодействие окислителя и восстановителя будет происходить не непосредственно, а через металлический проводник. Тогда передача электронов будет осуществляться через внешнюю цепь, и в цепи будет протекать электрический ток, а энергия химической реакции будет непосредственно превращаться в электрическую работу.

Устройства, которые обеспечивают такое превращение называются гальваническими элементами. Эти устройства должны иметь в своем составе два электрода – металлы, погруженные в растворы электролитов, которые содержат соответственно окислитель и восстановитель. Растворы должны сообщаться друг с другом пористой перегородкой, которая обеспечивает прохождение через электролиты электрического тока и препятствует непосредственному взаимодействию окислителя и восстановителя.

Электрод, находящийся в контакте с окислителем и на котором

происходит процесс восстановления, называется катодом, а

электрод, находящийся в контакте с восстановителем и на котором

происходит процесс окисления, называется анодом. Электроны во внешней цепи будут двигаться от анода к катоду. Поэтому в гальваническом элементе анод будет иметь отрицательный потенциал или «–», а катод – положительный потенциал или «+». Разность потенциалов катода (Eк) и анода (Eа) называется электродвижущей силой (ЭДС) гальванического элемента:

99

E = Eк Eа .

(12.1)

Потенциал катода и анода характеризуется протекающими на электродах процессами (полуреакциями) окисления и восстановления. Эти полуреакции обратимы, и на электроде устанавливается электродное равновесие. Потенциал электрода определяется положением электродного равновесия, которое зависит в первую очередь от природы участвующих в этом равновесии ионов (атомов, молекул), которые называют

потенциалопределяющими, а также от их концентрации

(давления для газов) и от температуры.

Зависимость электродного потенциала от концентрации потенциалопределяющих ионов в растворе выражается уравнением Нернста, которое для простых полуреакций

Mez+ + zeЂ Me

имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

z +

 

= E0

z +

+

R ×T

× ln C

 

z + ,

(12.2)

 

 

 

 

 

Me

 

Me

Me

Me

 

z × F

Me

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где E

– электродный потенциал полуреакции, В;

E0

Mez +

Me

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mez +

Me

стандартный электродный потенциал полуреакции, В; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль × К); T – абсолютная температура, К; F – постоянная Фарадея, равная 96 484 Кл/моль; CMez + – концентрация (активность) ионов металла в

растворе, моль/л.

Стандартный электродный потенциал полуреакции – это электродный потенциал при концентрации (активности) ионов металла, равной 1 моль/л.

При стандартной температуре 298 К после подстановки в уравнение (12.2) постоянных и после перехода от натурального логарифма к десятичному уравнение Нернста примет следующий вид:

E

z +

 

= E0

z +

 

+

0,059

× lg C

 

z + .

(12.3)

Me

Me

 

Me

Me

 

Me

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значения электродных потенциалов определяют путем измерения ЭДС гальванических элементов, которая представляет собой разность электродных потенциалов. Поэтому абсолютное значение потенциала электрода измерить нельзя и используется относительная шкала электродных потенциалов, когда потенциал одного из электродов,

100