Главная
Каталог
Библиотека
Избранное
Порталы
Библиотеки вузов
Отзывы
Новости
 
12+
 
Предварительный просмотр документа

Химия: Сборник задач и упражнений

Автор/создатель: Абакумова Р.А., Акимов Л.И., Андреева Н.А., Бальмаков М.Д., Гончарова И.В., Инчик В.В., Миронов А.М., Миронов Д.А., Павлов А.И., Сувернева О.Л., Ухина А.В., Халина О.М.
Год: 2008 
Учебное пособие составлено в соответствии с программой курса химии для студентов строительных и смежных с ними специальностей технических вузов и охватывает основные разделы химии, изучаемые студентами на практических и лабораторных занятиях. Каждый раздел сборника, кроме задач и упражнений, включает краткое теоретическое введение и примеры с детальным разбором решений типовых задач.
Показать полное описание документа
Популярные ресурсы рубрик:
РЕЙТИНГ

Оценка пользователей: 2.7
Количество голосов: 21
Оцените ресурс:
5 4 3 2 1

ОТЗЫВЫ


Популярные ресурсы по теме

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра. Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
Адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ) или ионов элек- состоит из ядра и адсорбционной ча- тролита из объема дисперсионной среды на поверхности дисперсной сти двойного электрического слоя; фазы приводит к стабилизации коллоидной системы. Процесс адсорб- 4 – мицелла; состоит из гранулы и ции сопровождается затратой поверхностной энергии дисперсной сис- диффузионной части двойного элек- темы на работу образования поверхностных соединений. В результате трического слоя. адсорбции избыточная поверхностная энергия уменьшается и система Пример 2. Определение заряда «лишается» возможности самопроизвольного слипания частиц, т. е. ста- коллоидной частицы. Золь йодида 1 билизируется. серебра AgI получен при добавлении 2 к 0,02 л 0,001 н. раствора KI 0,028 л 3 12.5. Методы коллоидной защиты. Образование двойного 0,0005 н. AgNO3. Определить заряд электрического слоя на границе раздела фаз частиц полученного золя и написать 4 формулу его мицеллы. Стабилизацию дисперсных систем методом введения ПАВ или элек- Решение. При смешивании Рис. 4. Схема строения коллоидной тролитов-стабилизаторов называют коллоидной защитой. растворов AgNO 3 и KI протекает мицеллы В соответствии с правилом Фаянса – Панета на поверхности кол- реакция лоидных частиц происходит специфическая адсорбция (хемосорбция) AgNO3 KI AgI KNO3. ионов, находящихся в избытке, которые достраивают решетку твердой Определяем количество AgNO3 и KI, участвующих в реакции: фазы или образуют с ионами решетки трудно растворимые соединения. AgNO3: 0,005 0,028 1,4 10 4 ммоль; Процессы адсорбции сопровождаются возникновением на границе KI: 0,02 0,01 2,0 10 4 ммоль. раздела фаз двойного электрического слоя (ДЭС) – тонкого поверхнос- тного слоя из пространственно разделенных электрических зарядов Расчет показывает, что в растворе избыток KI, следовательно, коллоидные частицы золя йодида серебра будут адсорбировать ионы I– противоположного знака. По аналогии с конденсатором вводится поня- и приобретают отрицательный заряд. Противоионами являются ионы K+. тие внутренней обкладки ДЭС, находящейся в поверхностном слое со стороны твердой фазы, и внешней обкладки ДЭС, находящейся со сто- Формула мицеллы золя йодида серебра при условии избытка KI имеет вид роны жидкости. адсорбционная диффузионная Ионы, образующие внутреннюю обкладку, вызывают возникнове- часть ДЭС часть ДЭС ние межфазного потенциала и называются потенциалопределяющими. Ионы внешней обкладки называются противоионами. ( AgI )m nI (n x) K+ X xK+ Стабилизация коллоидных систем сопровождается образованием зародыш мицелл золя. Мицелла – комплекс, в состав которого входит твердая ча- ядро стица дисперсной фазы с окружающим ее двойным электрическим сло- ем (рис. 4). гранула На рисунке рассматривается случай избыточного содержания от- мицелла рицательных ионов в момент образования мицеллы: 1 – кристалличес- кий зародыш (совокупность частиц дисперсной фазы); 2 – ядро; образу- ется в результате достраивания кристаллического зародыша ионами, со- Пример 3. Определение минимального объема электролита, необ- держащимися в избытке в жидкой дисперсионной среде; 3 – гранула; ходимого для получения золя. Какой объем 0,002 н. раствора BaCl2 надо добавить к 0,03 л 0,0006 н. Al2(SO4)3, чтобы получить положительно за- 138 139 ряженные частицы золя сульфата бария? Написать формулу мицеллы ммоль/л, и количество эквивалентов, моль, ионов коагулянта в объеме золя BaSO4. раствора электролита-коагулянта (Vэ). Решение. Образование золя BaSO4 происходит по реакции 3BaCl2 Al2(SO4)3 3 BaSO4 2AlCl3 А Если вещества в реакции участвуют в стехиометрическом соотно- 2 4 3 10 6 10 ++ ++ шении, то для реакции необходимо 3 9 10 3 л раствора + + ++ ++ + + 2 10 + + + ++ + + ++ + BaCl2. Для получения положительных частиц золя BaSO4 раствор должен содержать избыток хлорида бария по сравнению с сульфатом алюми- Б ния. Следовательно, для реакции нужно взять более 0,009 л 0,002 н. ра- створа BaCl2. Формула мицеллы золя сульфата бария имеет вид ++ ++ ++ ++ (BaSO4)m nBa 2 (2n x)Cl X x Cl + + + + + + + + В целом коллоидные растворы электронейтральны, а мицеллы пред- ++ + ++ + ставляют собой структурные единицы коллоидных систем. Наличие у коллоидных частиц (гранул) одноименных электрических зарядов при- водит к их взаимному отталкиванию. Это обстоятельство препятствует возможному слипанию частиц дисперсной фазы и тем самым сообщает Рис. 5. Схема взаимодействия двух коллоидных частиц: системе коллоидную устойчивость. А – потенциальная энергия электростатического отталкивания больше Если в системе увеличить количество электролита, то произойдет потенциальной энергии дисперсионного притяжения между частицами; переход противоионов из диффузионной части ДЭС в адсорбционную. Б – потенциальная энергия электростатического отталкивания меньше Это повлечет за собой уменьшение заряда гранулы. В результате взаим- потенциальной энергии дисперсионного притяжения между частицами ное отталкивание гранул ослабевает и столкновение коллоидных частиц Согласно правилу Шульце – Гарди порог коагуляции Скр обратно приведет к их коагуляции и седиментации (рис. 5). Коагулирующее дей- пропорционален шестой степени электрического заряда z ионов-коагу- ствие оказывают ионы электролита, знак заряда которых противополо- лянтов: жен знаку заряда коллоидных частиц. Эти ионы называются ионами- коагулянтами, а электролит, в состав которого они входят – электроли- том-коагулянтом. T5 Минимальная эквивалентная (нормальная) концентрация электро- Скр k , (12.6) z6 лита-коагулянта, вызывающая в системе коагуляцию, называется поро- гом коагуляции или критической концентрацией Скр, моль/л, где T – температура системы, К; k – коэффициент, который зависит от Vэ С n природы дисперсной системы. Скр , (12.5) V Vэ V Vэ Пример 4. Вычисление порога коагуляции электролита с учетом его концентрации. В каждую из трех колб налито по 0,01 л золя хлорида где V – объем коллоидной системы, л; Vэ – объем раствора электролита- серебра. Для коагуляции золя в первую колбу добавлено 0,002 л 1 н. коагулянта, л; С и n – соответственно эквивалентная концентрация, NaNO3, во вторую – 0,012 л 0,01 н. Ca(NO3)2, в третью – 0,007 л 0,001 н. 140 141 Al((NO3)3. Вычислить пороги коагуляции электролитов, определить знак 12.6. Методы получения дисперсных систем заряда частиц золя. Решение. Минимальное количество электролита, прибавляемого Получают дисперсные системы двумя способами. к золю, которое может вызвать коагуляцию золя, рассчитаем по уравне- 1. Дисперсионные методы основаны на измельчении крупных нию (12.5): частиц путем механических ударов, истирания, ультразвукового 1 0,002 1000 2 воздействия. В природной среде – это выветривание горных пород, вынос Скр NaNO3 166,79 ммоль/л ; капелек воды с поверхности водоемов. 0,002 0,01 0,012 2. Конденсационные методы основаны на получении дисперсных 0,01 0,012 1000 0,2 систем из гомогенных пересыщенных растворов. Различают физичес- Скр Ca NO3 5,45 ммоль/л ; кую и химическую конденсацию. Физическая конденсация происходит 2 0,012 0,01 0,022 в результате конденсации пара или замены растворителя (образование 0,001 0,007 1000 2 тумана, инея и др.). Химическая конденсация предполагает использова- Скр Al(NO3 )3 0,41 ммоль/л. 0,007 0,01 0,017 ние химических реакций, в результате которых образуются гетероген- Добавляемые электролиты NaNO3, Ca(NO3)2, Al((NO3)3 содержат ные системы – реакции гидролиза, ионного обмена, окисления-восста- однозарядные анионы NO3– и катионы Na+, Ca+2, Al+3 с разной величиной новления. заряда. Порог коагуляции зависит от заряда катиона. Наименьший порог Реакция гидролиза: коагуляции у Al((NO3)3. Следовательно, частицы золя хлорида серебра FeCl3 3H2O Fe(OH)3 3HCl адсорбируют положительные ионы, т. е. заряжены отрицательно. реакция ионного обмена, сопровождаемая образованием дисперсной Пример 5. Вычисление порога коагуляции электролита с учетом кристаллической фазы: заряда иона-коагулянта. Порог коагуляции раствора KNO3 для золя NaCl AgNO3 AgCl NaNO3 гидроксида алюминия, частицы которого заряжены положительно, равен окислительно-восстановительная реакция: 60,0 ммоль/л. Рассчитать порог коагуляции K3[Fe(CN)6] для этого золя. 2Na2S Na2SO3 3H2SO4 3S 3Na2SO4 3H2O Решение. Коагуляцию золя вызывает тот из ионов прибавленного электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидной частицы. ЗАДАЧИ Коагулирующая способность иона определяется его зарядом. Чем больше заряд иона, тем больше его коагулирующая способность. Так как частицы 12.1. Рассчитать суммарную поверхность шаровидных частиц золя заряжены положительно, то коагулирующими ионами будут в первом диаметром 2 10–5 см, которые получили распылением 2 мл воды. случае ионы NO3–; а во втором случае – ионы [Fe(CN)6]-3, отношение Ответ: 60 м2. порогов коагуляции для используемых электролитов можно определить 12.2. Рассчитать суммарную поверхность кубических частиц на основании уравнения (12.6): с длиной ребра 5 10–5 см, которые получили дроблением 5 г твердого вещества, плотность которого 10500 кг/м3. C кр KNO 36 729 Ответ: 5,71 м2. 3 , C кр K 16 1 12.3. Рассчитать средний размер частиц цементного клинкера, если Fe CN 6 3 3 его удельная поверхность составляет: а) 280 м2/кг; б) 400 м2/кг; в) 700 м2/кг. следовательно, порог коагуляции K3 Fe(CN)6 Плотность цемента принять равной 3100 кг/м3. С кр K 3 C кр KNO 3 729 60 729 0,082 ммоль / л . Ответ: 6,9 мкм; 4,8 мкм; 2,8 мкм. Fe CN 6 12.4. Определить удельную поверхность, м2/г, и суммарную площадь поверхности частиц золя серебра, полученного при дроблении 1,2 г 142 143 серебра на частицы шарообразной формы с диаметром 1,0 10–8 м. ние пены разделению веществ А и Б? (Избирательная смачиваемость Плотность серебра 10500 кг/м3. веществ лежит в основе флотации – метода обогащения руд.) Ответ: 57,2 м2/г; 68,6 м2. 12.11. На поверхность воды осторожно положили швейную иголку. 12.5. Вычислить суммарную площадь поверхности шаро-образных Иголка не тонет. Почему? Что произойдет, если иголку изготовить из частиц золя ртути с диаметром 2,5 10–8 м. Золь получен дроблением 5,2 стекла или кварца? г ртути. Плотность ртути 13546 кг/м3. 12.12. Замечено, что сливочное масло легче взбивается из постояв- Ответ: 92 м2. шей сметаны, чем из свежей. Дайте объяснение этому явлению, учиты- 12.6. Рассчитать суммарную площадь поверхности частиц золя вая также и некоторое прокисание сметаны при стоянии. сульфида мышьяка и число частиц в 0,5 л золя, если 1 л золя содержит 12.13. Сливки и молоко при стоянии отстаиваются. Почему не 2,25 г As2S3. Частицы золя имеют форму кубиков с длиной ребра 1,2 10–7 м. отстаивается синтетический латекс? Плотность As2S3 равна 3506 кг/м3. 12.14. Трубка заполнена наполовину активированным углем, Ответ: 16,0 м2, 1,86 1014. а наполовину силикагелем. Через трубку пропущен ток влажного воздуха 12.7. Аэрозоль получен распылением 0,5 кг угля в 1 м3 воздуха. с примесью паров бензина. Как распределятся вода и бензин между Частицы аэрозоля имеют шарообразную форму, диаметр 8 10–5 м. адсорбентами? Определить удельную поверхность, м2/г, и число частиц в этом аэрозоле. 12.15. Получен аэросил с удельной поверхностью 297 м2/г. Пола- Плотность угля 1,8 кг/м3. гая, что на поверхности частиц остается мономолекулярный слой воды Ответ: 41,7 м2/г, 2,6 1011. и что одна молекула адсорбированной воды занимает на поверхности 12.8. На основании данных табл. 10 и 11 провести классификацию площадь 106 нм2, рассчитать число частиц воды и их общую массу, ад- следующих дисперсных систем по размеру частиц и агрегатному сорбированную навеской аэросила, равной 0,357 г. состоянию фаз (а – средний размер частиц дисперсной фазы): грунтов Ответ: 1 1018; 3 10–5 г. песчаных (а = 50 мкм), грунтов пылеватых (а = 1–50 мкм), эритроцитов 12.16. Золь кремниевой кислоты H2SiO3 был получен при взаимо- крови человека (а = 7 мкм), кишечной палочки (а = 3 мкм), вируса гриппа действии растворов K2SiO3 и HCl. Написать формулу мицеллы золя (а 10 нм), золя золота синего (а 50 нм), мути в природных водах и определить, какой из электролитов был в избытке, если противоионы (а 10–100 нм), дыма ((а 30–40 нм), золя золота красного (а 20 нм), в электрическом поле движутся к катоду. вируса ящура (а 10 нм), зародыша золя золота (а 5 нм), тонких пор 12.17. Написать формулу мицеллы золя золота (ядро коллоидной угля (а 1–10 нм). частицы [Au]m), полученного распылением золота в растворе NaAuO2. 12.9. Какие коллоидные системы лежат в основе получения следу- 12.18. Какой объем 0,008 н. AgNO3 надо прибавить к 0,025 л 0,016 н. ющих материалов: бетона, строительной керамики, лаков, красок, жид- раствора KI, чтобы получить отрицательно заряженные частицы золя кого стекла, клея, гипсокартона, фибролита, газобетона, битумов, асфаль- йодида серебра. Написать формулу мицеллы. тенов, пенопластов. От каких характеристик дисперсных систем зависят Ответ: менее 0,050 л. свойства этих материалов? (При ответе на вопрос воспользуйтесь дан- 12.19. Золь бромида серебра получен смешиванием равных объемов ными табл. 10 и 11.) 0,008 н. KBr и 0,009 н. AgNO3. Определить знак заряда частицы золя 12.10. В воде находятся во взвешенном состоянии частицы двух и написать формулу мицеллы. веществ А и Б. Через взвесь пропустили снизу вверх пузырьки воздуха. 12.20. Какой объем 0,001 М FeCl3 надо добавить к 0,03 л 0,002 н. Частицы А опустились на дно системы, частицы Б всплыли на поверх- AgNO3, чтобы частицы золя хлорида серебра в электрическом поле ность. Определить, какая частица является гидрофильной, а какая гид- двигались к аноду? Написать формулу мицеллы золя. рофобной и почему. В систему добавили стиральный порошок, в резуль- Ответ: более 0,02 л. тате чего образовалась пена. Способствует или препятствует образова- 144 145 12.21. Какой объем 0,001 М AsCl3 надо добавить к 0,02 л 0,003 М Ответ: 2,58 ммоль/л; 0,226 ммоль/л. H2S, чтобы не произошло образования золя сульфида мышьяка, а выпал 12.30. Как изменится порог коагуляции электролита для золя осадок As2S3? бромида серебра, частицы которого заряжены положительно, если для Ответ: 0,04 л. коагуляции 0,1 л золя вместо 0,0015 л 0,1 н. K2SO4 взят раствор Fe(NO3)3? 12.22. Какой объем 0,0025 М KI надо добавить к 0,035 л 0,003 н. Ответ: увеличится в 64 раза. Pb(NO3)2, чтобы получить золь йодида свинца и при электрофорезе 12.31. Для коагуляции 0,05 л золя сульфида мышьяка можно (в электрическом поле) противоионы двигались бы к аноду? Написать добавить один из следующих растворов электролитов: 0,005 л 2 н. NaCl; формулу мицеллы золя. 0,005 л 0,03 н. Na2SO4; 0,004 л 0,0005 н. Na4[Fe(CN)6]. У какого из Ответ: менее 0,042 л. приведенных электролитов наименьший порог коагуляции? 12.23. Пороги коагуляции золя электролитами, ммоль/л, оказались Ответ: 181,8; 2,72; 0,04 ммоль/л. следующими: Скр(NaNO3) = 250,0; Скр(Mg(NO3)2) = 20,0; Скр(Fe(NO3)3) = 0,5. 12.32. Порог коагуляции AlCl3 для золя оксида мышьяка равен Какие ионы электролитов являются коагулирующими? Как заряжены 0,093 ммоль/л. Какой концентрации нужно взять раствор AlCl3, чтобы частицы золя? 0,0008 л его хватило для коагуляции 0,125 л золя? 12.24. Вычислить порог коагуляции раствора сульфата натрия, если Ответ: 0,0146 н. добавление 0,003 л 0,1 н. Na2SO4 вызывает коагуляцию 0,015 л золя. 12.33. При осаждении ионов Ba+2 действием K2CrO4 нагревание Ответ: 16,7 ммоль/л. способствует быстрому появлению осадка BaCrO4, хотя растворимость 12.25. Как расположатся пороги коагуляции в ряду CrCl3, Ba(NO3)2, его при этом возрастает. Чем объясняется это явление? Написать формулу K2SO 4 для золя кремниевой кислоты, частицы которого заряжены мицеллы и указать знак электрического заряда частиц образующегося отрицательно? золя. Как еще можно ускорить выпадение осадка в этом случае? Ответ: 0,0014:0,016:1. 12.34. При растворении некоторых веществ в воде происходит гид- 12.26. Какой объем 0,0002 М Fe(NO3)3 требуется для коагуляции ролиз, который при разбавлении раствора и нагревании приводит к об- 0,025 л золя сульфида мышьяка, если порог коагуляции Скр(Fe(NO3)3) = разованию золя. Написать формулу мицелл и указать знак электрическо- = 0,067 ммоль/л? го заряда коллоидных частиц золя, если процесс гидролиза идет по сле- Ответ: 0,003 л. дующей схеме: 12.27. В три колбы налито по 0,1 л золя гидроксида железа. Для 1) Al(CH3COO)3 3H2O Al(OH)3 3CH3COOH того чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую 2) Na3CrO3 3H2O Cr(OH)3 3NaOH колбу 0,01 л 1 н. NH4Cl, в другую – 0,063 л 0,01 н. Na2SO4, в третью – 3) Zn(CH3COO)2 2H2O Zn(OH)2 2CH3COOH 0,037 л 0,001 н. Na3PO4. Вычислить порог коагуляции каждого электро- 4) Cu(CH3COO)2 2H2O Cu(OH)2 2CH3COOH лита и определить знак заряда частиц золя. 5) Bi(NO3)3 H2O BiO(NO3) 2HNO3 Ответ: 91; 3,9; 0,27 ммоль/л. 6) SbCl3 H2O SbOCl 2HCl 12.28. Золь гидроксида меди получен при сливании 0,1 л 0,05 н. 7) NaSbO2 H2O HSbO2 NaOH NaOH и 0,25 л 0,001 н. Cu(NO3)2. Какой из прибавленных электролитов: 8) SbCl5 2H2O SbO2Cl 4HCl KBr, Ba(NO 3)2, K2CrO 4, MgSO 4, AlCl 3 – имеет наименьший порог 9) Sn(CH3COO)2 2H2O H2SnO2 2CH3COOH коагуляции? 10) Na2SnO3 2H2O H2SnO3 2NaOH 12.29. Коагуляция золя йодида серебра, частицы которого заряжены 11) TiCl4 2H2O TiO(OH)2 4HCl отрицательно, вызывается катионами добавляемых электролитов. Порог 12) NaCrO2 2H2O Cr(OH)3 2NaOH коагуляции LiNO3 для этого золя равен 165 ммоль/л. Вычислить порог коагуляции Ba(NO3)2 и Al(NO3)3 для этого золя. 146 147 Решение. Обозначим степень окисления хрома через Х. Степень окисления атома калия равна +1, так как это щелочной металл. Степень окисления атома кислорода равна –2. С учетом того, что сумма степеней Раздел 13. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ окисления в нейтральном соединении K2Сr2O7 равна нулю, получим: РЕАКЦИИ 2(+1) + 2Х + 7(–2) = 0. Из решения уравнения следует, что Х = +6. Пример 2. Рассчитать степень окисления атомов азота в соединении Химические реакции, протекающие с изменением степени окисле- NH4NO3 (нитрат аммония). ния элементов, входящих в состав реагентов, называются окислитель- Решение. Обозначим степень окисления первого атома азота через но-восстановительными. Степень окисления – это условный заряд ато- Х, а второго через Y. Второй атом азота входит в состав кислотного ос- ма, вычисляемый в предположении, что все химические связи в веще- татка (NO3–). Сумма степеней окисления иона равна заряду иона. С уче- стве являются ионными. том того, что степень окисления кислорода равна –2, получим: Y + 3(–2) = – 1, откуда следует, что Y = +5. Сумма степеней окисления Правила расчета степени окисления в нейтральном соединении NH4NO3 равна нулю: X + 4(+1) + (+5) + 3(–2) = 0. Решение уравнения дает Х = –3. 1. Степень окисления атома в соединении может быть отрицатель- В ходе окислительно-восстановительной реакции изменение сте- ной, положительной, равной нулю. пеней окисления происходит за счет перехода электронов от одних эле- 2. Степень окисления атома в простых веществах принимается ментов к другим. Процесс окисления можно рассматривать как процесс равной нулю. отдачи электронов, сопровождающийся увеличением степени окисления 3. Максимальная степень окисления для большинства элементов соответствующих элементов, входящих в состав восстановителя. Про- главных подгрупп равна номеру группы в периодической системе цесс восстановления – процесс присоединения электронов атомом или Д. И. Менделеева. Для неметаллов минимальная степень окисления равна молекулой, сопровождающийся понижением степени окисления элемен- разности номера группы и числа 8. тов, входящих в состав окислителя. 4. Некоторые элементы проявляют постоянную степень окисления Окислитель – это атом, молекула или ион, принимающий электро- практически во всех соединениях: ны. Типичными окислителями являются атомы элементов в состоянии степень окисления атомов щелочных и щелочноземельных максимальной или промежуточной степени окисления. В качестве при- металлов в соединениях всегда равна соответственно +1 и +2; меров можно привести следующие соединения: KMnO4, K2Cr2O7, HNO3, степень окисления атома кислорода в соединениях равна –2, за KClO4, содержащие атомы металлов и неметаллов в максимальной сте- исключением пероксидов (H2+O2–) и фторида кислорода (O+2F2–); пени окисления Mn+7, Cr+6, N+5, Cl+7. степень окисления атома водорода в соединениях равна +1, за Восстановитель – это атом, молекула или ион, отдающий элект- исключением гидридов металлов (Me+nHn–), где его степень окисления роны. Типичными восстановителями являются щелочные и щелочнозе- равна –1. мельные металлы, одноатомные анионы неметаллов, например S–2, мно- 5. Сумма степеней окисления атомов, с учетом их числа, в нейт- гоатомные анионы, содержащие элементы в промежуточных степенях ральном соединении равна нулю, в случае участия в реакции иона сумма окисления (NO–2, SO3–2) и т. д. степеней окисления равна заряду иона. Для составления уравнений окислительно-восстановительных ре- Пример 1. Рассчитать степень окисления атома хрома в соединении акций применяют два метода: электронного баланса и ионно-электрон- К2Cr2O7 (дихромат калия). ного. 148 149 13.1. Метод электронного баланса Уравняем суммы зарядов в левой и правой части каждой полуреак- ции, прибавив или отняв необходимое число электронов: При использовании этого метода рекомендуется придерживаться Cr 6 3 e Cr 3 следующего порядка: S 2 2 e S0 1) составить схему реакции с указанием исходных и образующихся Найдем коэффициенты электронного баланса таким образом, чтобы веществ; число электронов, отданных восстановителем S–2, было равно числу 2) определить степени окисления атомов, входящих в состав реаги- электронов, принятых окислителем Cr+6: рующих веществ и продуктов реакции; указать окислитель и восстано- 2 Cr 6 3 e Cr 3 процесс восстановления витель. Следует учесть, что окислитель понижает степень окисления, 3 S 2 2 e S0 процесс окисления а восстановитель повышает степень окисления; Перенесем коэффициенты в уравнение: 3) записать схемы полуреакций окисления и восстановления; K2Cr2O7 H2O 3K2S 2K3[Cr(OH)6] 3S KOH 4) уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях Уравняем в левой и правой частях уравнения число атомов элемен- полуреакций; тов, не изменяющих степень окисления (K, H), и получим окончательно: 5) уравнять суммы зарядов слева и справа в каждой из полуреакций, K2Cr2O7 7H2O 3K2S 2K3[Cr(OH)6] 3S 2KOH добавив или отняв необходимое число электронов; Убедимся, что число атомов всех элементов в правой и левой части 6) составить электронный баланс. Для этого надо подобрать коэф- уравнения одинаково. Это подтверждает правильность расстановки фициенты (множители) к полуреакциям таким образом, чтобы количе- коэффициентов. ство электронов, отданных восстановителем, было равно числу элект- ронов полученных окислителем. Коэффициенты электронного баланса 13.2. Метод ионно-электронного баланса называются основными коэффициентами; 7) найденные коэффициенты использовать для составления урав- Главные этапы составления уравнений по этому методу следую- нения реакции; щие: 8) уравнять в левой и правой частях уравнения число атомов эле- 1) составить схему реакции с указанием исходных и образующихся ментов, не меняющих степень окисления; веществ; 9) проверить правильность расстановки коэффициентов. 2) определить степени окисления атомов, входящих в состав реаги- Пример 3. Уравнять реакцию методом электронного баланса, рующих веществ и продуктов реакции, указать окислитель и восстано- указать окислитель и восстановитель: витель; K2Cr2O7 H2O K2S K3[Cr(OH)6] S KOH 3) записать схемы полуреакций окисления и восстановления в ион- Решение. Рассчитаем степени окисления элементов, входящих но-молекулярной форме. При этом сильные электролиты записываются в состав реагентов: в виде ионов, а слабые электролиты, нерастворимые вещества и газы K2 Cr2 6O7 2 H2 O 2 K2 S 2 K3 [Cr 3 (O 2H )6] S0 K O 2H в молекулярном виде; Определим окислитель (K2Cr2O7) и восстановитель (H2S). 4) уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой час- Запишем схемы полуреакций окисления и восстановления с уче- тях полуреакций. Принять во внимание, что в водных растворах могут том того, что число атомов каждого элемента в левой и правой части участвовать молекулы воды, ионы Н+ или ОН–. При этом надо учесть, полуреакций должно быть одинаковым: что в водных растворах связывание избыточного кислорода происходит Cr 6 Cr 3 по-разному в зависимости от кислотности среды. В кислых растворах S2 S0 избыток атомов кислорода связывается ионами водорода с образовани- 150 151 ем молекул воды, а в нейтральных и щелочных растворах молекулами Принимая во внимание, что число электронов, отданных восстано- воды с образованием ионов гидроксида; вителем должно быть равно числу электронов, принятых окислителем, 5) уравнять суммы зарядов в левой и правой части каждой полуре- подберем соответствующие множители для полуреакций. акции, прибавив или отняв необходимое число электронов; 2 MnO4 8H 5 e Mn2 4H2O процесс восстановления 6) подобрать коэффициенты к полуреакциям таким образом, чтобы 5 2I 2 e I20 процесс окисления число электронов, отданных восстановителем, было равно числу элект- Умножим уравнения полуреакций на соответствующие коэффици- ронов, полученных окислителем; енты и произведем алгебраическое суммирование: 7) просуммировать полуреакции в полное ионно-электронное урав- 2MnO4 16H 10 e 2Mn2 8H2O нение, при этом электроны должны сократиться; 8) записать реакцию в молекулярной форме с добавлением ионов, 10 I 10 e 5 I20 не участвующих в процессе окисления-восстановления. 2MnO4 16H 10 I 2Mn2 8H2O 5 I20 Пример 4. Уравнять реакцию методом ионно-электронного балан- Это сокращенное ионное уравнение. Теперь можно перейти к мо- са, указать окислитель и восстановитель: лекулярному уравнению а) KMnO4 H2SO4 KI I2 MnSO4 H2O K2SO4 2KMnO4 8H2SO4 10KI 5I2 2MnSO4 8H2O 6K2SO4 б) K2CrO4 KOH H2O K[Sn(OH)3] K3[Cr(OH)6] K2[Sn(OH)6] Рассмотрим реакцию K2CrO4 KOH H2O K[Sn(OH)3] K3[Cr(OH)6] K2[Sn(OH)6] Решение. а) Рассмотрим реакцию Рассчитаем степени окисления элементов, входящих в состав KMnO4 H2SO4 KI I2 MnSO4 H2O K2SO4 исходных и конечных веществ: Рассчитаем степени окисления элементов, входящих в состав K2 Cr 6O4 2 K O 2H H2 O 2 K [Sn 2(O 2H )3] исходных и конечных веществ. K3 [Cr 3(O 2H )6] K2 [Sn 4(O 2H )6] K Mn 7O4 2 H2 S 6O4 2 K I I20 Mn 2S 6O4 2 H2 O 2 K2 S 6O4 2 Определим окислитель (K2CrO4) и восстановитель (K[Sn(OH)3]). Укажем окислитель (KMnO4) и восстановитель (KI). Запишем в ионном виде полуреакции окисления-восстановления Определим, какие ионы существуют в растворе, и запишем схемы с учетом реально существующих ионов и молекул. Примем также во полуреакций с учетом того, что в водных растворах могут участвовать внимание, что среда, в которой протекает реакция, является щелочной, молекулы воды, ионы Н+ или ОН–: поэтому для связывания избытка атомов кислорода используются моле- MnO4 H Mn2 H2O кулы воды: I I20 CrO42 4H2O [Cr(OH)6] 3 2OH Уравняем число атомов каждого элемента в левой и правой частях [Sn(OH)3] 3OH [Sn(OH)6] 2 полуреакций: Сбалансируем число зарядов в левой и правой частях уравнения: MnO4 8H Mn2 4H2O CrO42 4H2O 3 e [Cr(OH)6] 3 2OH 2I I20 [Sn(OH)3] 3OH 2 e [Sn(OH)6] 2 Затем сбалансируем число зарядов в обеих частях каждой из полу- Подберем множители (коэффициенты) для полуреакций таким об- реакций, прибавив или отняв необходимое количество электронов. разом, чтобы число электронов, принятых окислителем было равно чис- В результате получим: лу электронов, отданных восстановителем: MnO4 8H 5 e Mn2 4H2O 2 CrO42 4H2O 3 e [Cr(OH)6] 3 2OH 2I 2 e I20 3 [Sn(OH)3] 3OH 2e [Sn(OH)6] 2 152 153 Умножим уравнения полуреакций на соответствующие коэффици- Cl2 2NaOH NaCl NaClO H2O енты и произведем алгебраическое суммирование: Здесь и окислителем, и восстановителем являются атомы хлора. 2CrO42 8H2O 3[Sn(OH)3] 9OH 2[Cr(OH)6]3 4OH 3[Sn(OH)6] 2 Уравнения электронного баланса запишутся таким образом: Сократим группы OH- в левой и правой части реакции, запишем 1 Cl20 2 e 2Cl процесс восстановления сокращенное ионное уравнение: 1 Cl20 2 e 2Cl процесс окисления 2CrO42 8H2O 3[Sn(OH)3] 5OH 2[Cr(OH)6] 3 3[Sn(OH)6] 2 4. Реакция конпропорционирования по сути противоположна ре- Переходим далее к окончательному уравнению в молекулярной акции диспропорционирования. Здесь в качестве окислителя и в каче- форме: стве восстановителя выступают атомы одного и того же элемента, но 2K2CrO4 5KOH 8H2O 3K[Sn(OH)3] 2K3[Cr(OH)6] 3K2[Sn(OH)6] имеющие различные степени окисления. В результате образуется соеди- Метод ионно-электронного баланса более нагляден по сравнению нение, в котором атом данного элемента имеет промежуточную степень с методом электронного баланса. Достоинством этого метода является окисления, например то, что он учитывает характер среды (кислая, щелочная, нейтральная) 2H2S + SO2 = 3S +2H2O и реальное состояние частиц в растворе. Метод электронного баланса Электронный баланс будет иметь следующий вид: менее нагляден, но зато более универсален и позволяет составлять урав- 2 S 2 2 e S0 процесс окисления нения окислительно-восстановительных реакций, происходящих не толь- 1 S 4 4 e S0 процесс восстановления ко в водных растворах, но и, например, в неводных растворителях или в воздушной среде. 13.4. Особенности составления окислительно- восстановительных реакций 13.3.Типы окислительно-восстановительных реакций 1. В реакции участвуют только один окислитель и только один вос- 1. Межмолекулярные реакции, в которых окислитель и восстано- становитель, но они одновременно принимают участие в других про- витель представляют собой разные вещества: цессах, например, в образовании солей. В этом случае часть атомов окис- 4Br2 4H2O BaS BaSO4 8HBr лителя (восстановителя) изменяет свою степень окисления, а другая часть Br2 – окислитель; BaS – восстановитель. атомов этого же элемента остается неизменной, например Уравнения электронного баланса: 3Pb 8HNO3 3Pb(NO3)2 2NO 4H2O 4 Br20 2 e 2Br процесс восстановления Здесь Pb – восстановитель, HNO3 – окислитель. 1 S2 8e S6 процесс окисления 2. Внутримолекулярные реакции, в которых в качестве окислителя Уравнения электронного баланса запишутся в следующем виде: и восстановителя выступают атомы разных элементов одного и того же 3 Pb0 2 e Pb 2 процесс окисления вещества, например 2 N 5 3e N 2 процесс восстановления 4HNO3 4NO2 2H2O O2 В этой реакции окислитель (азотная кислота) расходуется не толь- Здесь N+5 – окислитель, O–2 – восстановитель. ко на окисление металла, но и на образование соли (нитрата свинца). Уравнения электронного баланса имеют вид В данном случае коэффициент 2 ставится только перед оксидом азота 4 N 5 1e N 4 процесс восстановления (II) , так как именно в этом соединении находится азот, изменивший сте- 1 2O 2 4 e O20 процесс окисления пень окисления. 3. Реакции диспропорционирования, где в качестве как окислите- Затем подсчитывается общее число атомов азота в правой части ля, так и восстановителя выступают атомы одного и того же элемента, уравнения. В данной реакции оно равно восьми, поэтому именно этот например коэффициент ставится перед HNO3 в левой части уравнения. 154 155 2. В реакции участвуют один окислитель и два восстановителя: 13.5. Примеры окислительно-восстановительных реакций, As2S3 HNO3 H2O H3AsO4 H2SO4 NO протекающих при получении строительных материалов В этом случае число электронов, полученных окислителем (HNO3), будет равно числу электронов, отданных двумя восстановителями В настоящее время в строительной промышленности широко (As, S). При написании уравнений электронного баланса соотношение меж- используются металлические конструкции, изготовленные из сплавов ду числом атомов мышьяка и серы должно быть таким же, как и в соеди- железа, алюминия, меди и др. Производство этих металлов из руд нении As2S3. Тогда уравнения электронного баланса запишутся в виде включает ряд окислительно-восстановительных реакций, что можно 2As 3 4 e 2As 5 видеть на примере получения железа: 3 28 e 1) восстановление оксида железа(III), входящего в состав руды: 3S 2 24 e 3S 6 3Fe2O3 CO 2Fe3O4 CO2 2) восстановление железной окалины: 28 N 5 3e N 2 Fe3O4 CO 3FeO CO2 Коэффициенты 3 и 28 внесем в уравнение, получим 3) восстановление оксида железа (II) 3As2S3 28HNO3 4H2O 6H3AsO4 9H2SO4 28NO FeO CO Fe CO2 3. В реакции окисления органических соединений меняется степень Изготовление многих строительных материалов включает в себя окисления углерода. В качестве примера рассмотрим реакцию также окислительно-восстановительные реакции. В процесс C2H4 KMnO4 H2O C2H4(OH)2 MnO2 KOH производства кирпича входит обжиг глины. При обжиге глины, которая В данном случае удобнее применить метод ионно-электронного содержит различные соединения железа, возможно протекание баланса. Запишем полуреакции окисления и восстановления в ионно- следующих окислительно-восстановительных реакций: молекулярном виде: 1) окисления пирита 3 C2H4 2OH 2 e C2H4(OH)2 4FeS2 11 O2 2Fe2O3 8SO2 2 MnO4 2H2O 3 e MnO2 4OH 2) окисления сульфида железа (II) Подставив соответствующие коэффициенты в уравнение и просум- 4FeS 7 O2 2Fe2O3 4SO2 мировав, получим ионно-молекулярное уравнение При недостатке кислорода возможно получение железной окалины: 3С2Н4 6OH 2MnO4 4H2O 3C2H4(OH)2 2MnO2 8OH 3FeS 5O2 Fe3O4 3SO2 Затем переходим к краткой ионно-молекулярной форме При обжиге глины с добавлением древесных опилок, содержащих 3С2Н4 2MnO4 4H2O 3C2H4(OH)2 2MnO2 2OH целлюлозу, может протекать реакция вида Переходим далее к уравнению в молекулярной форме (C6H10O5)n 6nO2 6nCO2 5nH2O 3C2H4 2KMnO4 4H2O 3C2H4(OH)2 2MnO2 2KOH При недостатке кислорода наряду с оксидом углерода (IV) возможно 4. Проявляется окислительно-восстановительная двойственность. образование оксида углерода (II), который является сильным Атомы некоторых элементов, находящиеся в промежуточных степенях восстановителем, реагирующим с оксидом железа по схеме окисления, например кислород в H2+O2–, йод в молекулярной форме (I20), Fe2O3 3CO 2Fe 3CO2 азот в N+4O2–2, могут выступать в качестве как окислителя, так и восста- Образующееся железо также способно вступать в реакцию новителя. Например, в реакции восстановления по схеме I2 2Na 2NaI Fe2O3 Fe 3FeO йод является окислителем, а в реакции I2 + 5Cl2 + 6H2O = 2HIO3 + 10 HCl йод проявляет свойства восстановителя. 156 157
Яндекс цитирования