Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 7. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦІЇ.ЕЛЕКТРОЛІЗ

§ 7.9. Решение типовых задач

Окислительно-восстановительные реакции

Задача 1. Подберите коэффициенты в схеме окислительно-восстановительной реакции:

S + HNO3 -> H₂SO₄ + NO.

Решения. Коэффициенты находим методом электронного баланса. Отметим степени окисления элементов, которые их меняют:

0 +5 +6 +2

S + HNO₃ -> H₂SO⁴ + NO,

S - восстановитель, a HNO₃ - окислитель.

Составляем электронные уравнения и находим коэффициенты у окисника, восстановителя и продуктов их восстановления и окисления:

Подставим найденные коэффициенты в схему реакции:

S+ 2HNO₃ = H₂SO₄ + 2NO.

Проверяем правильность написания уравнение реакции. Число атомов каждого элемента в левой части уравнения равен числу тех самых атомов в правой части уравнения. Следовательно, уравнение составлено правильно.

Задача 2. Составьте уравнение реакции восстановление Fе₃O₄ водородом.

Решения. Записываем схему процесса с указанием изменения степеней окисления элементов:

+8/3 0 0 +1

Fe₃O₄ + Н₂ -> Fe + Н₂О.

Составляем электронные уравнения:

Найденные коэффициенты подставляем в схему процесса, заменяя стрелку знаком равенства:

Fe₃O₄ + 4Н₂ = 3Fe + 4Н₂О.

Задача 3. Подберите коэффициенты в схеме окислительно-восстановительной реакции:

KNO₂ + К₂Сr₂O₇ + H₂SO₄ ->КNО₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + Н₂О.

Решение 1. Находим коэффициенты методом электронного баланса. Записываем схему реакции с указанием степени окисления элементов, которые его меняют:

+3 +6 +5 +3

KNO₂ + К₂Сr₂O₇ + H₂SO₄ -> KNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + Н₂O.

Здесь KNO₂ является восстановителем, а дихромат калия - окисником. Составляем электронные уравнения, учитывая, что 1 моль Cr₂(SO₄)₃ и 1 моль К₂Сr₂О₇ содержат по 2 моль атомарного хрома:

Найдены коэффициенты у восстановителя KNO₂ и продукта его окисления KNO₃ и у окисника К₂СrO₇ и продукта его восстановления Cr₂(SO₄)₃ подставляем в схему реакции:

3KNO₂ + К₂СrO₇ -> 3KNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 4Н₂О.

Остальное коэффициентов находим в последовательности: соль (K₂SO₄), кислота (H₂SO₄), вода. Окончательное уравнение реакции будет иметь вид:

3KNO₂ + К₂Сr₂О₇ + 4H₂SO₄ = 3KNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 4Н₂O.

Для проверки правильности коэффициентов подсчитываем число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. В левой части: 3∙2 + 7 + 4∙ 4 = 29. В правой части: 3 ∙ 3 + + 3 4 + 4 + 4 = 29.

Решение 2. Находим коэффициенты методом напівреакцій (факультативно) .

В первой напівреакції восстановитель - нитрит-ион NO₂ - переходит в нитрат-ион NO^-₃, принимая один атом кислорода от молекулы воды:

NO^-₂ + Н₂O -> NO^-₃ + 2Н⁺.

Сравняв число зарядов, получим:

NO^-₂ + Н₂О - 2е^- -> NO^-₃ + 2Н⁺.

В второй напівреакції окислитель - ион Сr2O2-₇ - переходит в ион Сr³⁺, то есть 7 атомов кислорода в кислой среде связываются с 14 ионами водорода с образованием воды:

Сr2O^2-₇ + 14Н⁺ -> 2Сr³⁺ + 7Н₂O.

Сравняв число зарядов, получим:

Сr2O^2-₇ + 14Н⁺ + 6е^- = 2Сr³⁺ + 7Н₂О.

Составляем суммарное ионное уравнение реакции:

3NO^-₂ + 3H₂O + Cr₂O^2-₇ + 14H⁺ = 3NO^-₃ + 6Н⁺ + 2Cr³⁺ + 7Н₂O.

Сократив одинаковое число ионов водорода и молекул воды в левой и правой частях уравнение, получим:

3NO^-₂ + Сr₂O^2-₇ + 8Н⁺ = 3NO^-₃ + 2Cr³⁺ + 4Н₂О.

Добавляя одинаковое число ионов в левой и правой частей уравнения, получаем уравнение реакции в молекулярной форме:

3NO^-₂ + Сr₂О^2-₇ + 8Н⁺ = 3NO^-₃ + 2Сr³⁺ + 4Н₂O;

ЗК⁺ + 2К⁺ + 4SO^2- = 3К⁺ + 3SO^2-₄+ 2К⁺ + SO^2-₄;

KNO₂ + К₂Сr₂О₇ + 4H₂SO₄ = 3KNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 2Н₂О.

Задача 4. Подберите коэффициенты в окислительно-восстановительной реакции с участием органических соединений:

СН₃ОН + KMnO₄ + H₂SO₄ -> НСООН + MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂О.

Решения. Составляем схему реакции с указанием степеней окисления атомов в молекулах восстановителя, окисника и продуктов их восстановления и окисления:

-2 +7 +2 +2

СН₃ОН + KMnO₄ + H₂SO₄ -> НСООН + MnSO₄.

Отсюда видно, что СН₃ОН - восстановитель, а КМnO₄ - окислитель. Составляем электронные уравнение:

и подставляем коэффициенты в схему реакции:

5СН₃ОН + 4КМnO₄ + H₂SO₄ -> 5НСOOН + 4MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂О.

Остальные коэффициентов находим подбором в обычной последовательности: K₂SO₄, H₂SO₄, Н₂О. Окончательное уравнение реакции будет иметь вид:

5СН₃ОН + 4КМnO₄ + 6H₂SO₄ -> 5НСOOН + 4MnSO₄ + +2K₂SO₄+11H₂O.

Электролиз расплавов и растворов

Задача 1. Составьте схему электролиза расплавов: а) гидроксида калия; б) сульфата натрия.

Решение, а) В расплаве гидроксид калия диссоциирует на ионы:

КОН = К⁺ + ОН^-.

Во время прохождения сквозь расплав электрического тока к отрицательному электроду (катоду) будут переходить катионы К и присоединять электроны (восстанавливаться). К положительному электроду (аноду) будут поступать анионы OН^- и отдавать электроны (окиснюватися). Итак, схема процесса приобретает такого вид:

или

б) Сульфат натрия в расплаве диссоциирует на ионы: Na₂SO₄ ⇆2Na⁺ + SO^2-₄ .

Схема процесса электролиза:

Задача 2. Составьте схемы электролиза водных растворов: а) сульфата купруму(II); б) хлорида магния; в) сульфата калия. Во всех случаях электролиз проводится с использованием угольных электродов.

Розв'язання. а) В растворе сульфат купруму(II) диссоциирует на ионы:

CuSO₄ ⇆Cu²⁺ + SO^2-₄.

Ионы купруму(II) могут восстанавливаться на катоде в водном растворе. Сульфат-ионы в водном растворе не окисляющиеся, поэтому на аноде будет происходить окисление воды (см. § 7.7). Схема электролиза:

или

б) Диссоциация хлорида магния в водном растворе:

МgСl₂ ⇆Мg²⁺ + 2Сl^-.

Ионы магния не могут восстанавливаться в водном растворе (происходит восстановление воды), хлорид-ионы - окисляющиеся (см. § 7.7). Схема электролиза:

или

в) Диссоциация сульфата калия в водном растворе:

K₂SO₄ = 2К⁺ + SO^2-₄.

Ионы калия и сульфат-ионы не могут разряжаться на электродах в водном растворе (см. § 7.7), следовательно, на катоде будет происходить восстановление, а на аноде - окисление воды. Схема электролиза:

или, учитывая, что 4Н⁺ + 4OН = 4Н₂О (осуществляется при перемешивании),

Задача 3. Во время электролиза водного раствора гидроксида калия с инертными электродами на катоде выделился водород объемом 11,2 л (нормальные условия). Рассчитайте объем кислорода, который выделился при этом на аноде.

Решение 1. Записываем уравнение электролиза, учитывая, что на катоде восстанавливается вода (катионы калия не восстанавливаются при электролизе водных растворов), а на аноде окисляющиеся гидроксид-ионы:

или

Определяем количество вещества водорода, выделившегося:

С уравнения реакции следует, что

Вычисляем объем кислорода, выделился:

V(O₂) = n(O₂) Vm; V(O₂) = 0,25 • 22,4 = 5,6 (л).

Решение 2. Используем следствие из закона Авогадро, согласно которому одинаковые количества веществ различных газов при одинаковых условиях занимают одинаковые объемы. Поэтому из уравнения электролиза (см. решение 1) получим: