Уравнивание окислительно-восстановительных реакций

 

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций основано на том, что число электронов, отданных восстановителем должно быть равно числу электронов, принятых окислителем. Рассмотрим метод составления уравнений, называемый методом электронного баланса, на примере реакции:

KMnO₄ + KNO₂ + H₂SO₄ → K₂SO₄ + MnSO₄ + KNO₃ + H₂O

1) Определим степени окисления элементов, образующих соединения, участвующие в реакции:

Из схемы следует, что в ходе реакции степень окисления марганца изменяется от (+7) до (+2), следовательно, марганец принимает

электроны и является окислителем, а степень окисления азота изменяется от (+3) до (+5), значит, азот отдаёт электроны и является восстановителем. Степени окисления других элементов не изменяются.

2) Составим полуреакции для процессов восстановления и окисления; при этом сумма зарядов левой и правой частей полуреакции должны быть равны:

Mn⁺⁷ + 5e → Mn⁺² |2

N⁺³ - 2e → N⁺⁵ |5

Из полуреакций следует, что для того чтобы число принятых электронов было равно числу отданных электронов, в реакции должно участвовать 2 атома Mn⁺⁷ и 5 атомов N⁺³. Коэффициенты 2 и 5 носят название фиксированных коэффициентов, т.к. при дальнейшем уравнивании они или не изменяются, либо изменяются одновременно в одно и то же число раз.

3) Проставим полученные коэффициенты перед KMnO₄, KNO₂, MnSO₄, и KNO₃:

2KMnO₄ + 5KNO₂ + H₂SO₄→ K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 5KNO₃ + H₂O

Из полученной схемы следует, что в правой части имеем 3 сульфат-иона, а в левой части только один, следовательно, перед формулой серной кислоты необходимо поставить коэффициент 3:

2KMnO₄ + 5KNO₂ + 3H₂SO₄→ K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 5KNO₃ + H₂O.

Из полученной схемы следует, что в левой части имеем 6 атомов водорода, а в правой части только два, следователь, перед формулой воды необходимо поставить коэффициент 3:

2KMnO₄ + 5KNO₂ + 3H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 5KNO₃ +3H₂O.

Проверяем полученное выражение на равенство числа атомов каждого элемента в левой и правой части. Это условие соблюдено, следовательно, реакция уравнена, и поэтому ставим между левой и правой частями знак равенства.

Контрольные вопросы и задачи

4.1. Определить степень окисления марганца в K₂MnO_4.

Ответ: +6.

4.2. Определить степень окисления хлора в KClO₄ .

Ответ: +7.

4.3. Определить степень окисления серы в K₂S.

Ответ: -2.

4.4. Определить степень окисления азота в ионе аммония NH_4.⁺ Ответ: -3.

4.5. Определить степень окисления фосфора в Na₄P₂O_7.

Ответ: +5.

4.6. Уравнять реакцию: SO₂ + Br₂+H₂O → HBr + H₂SO₄.

4.7. Уравнять реакцию: Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O.

4.8. Уравнять реакцию:

KMnO₄ + KOH → K₂MnO₄ + O₂ + H₂O.

4.9. Уравнять реакцию:

K₂Cr₂O₇ +H₂S + H₂SO₄ → Cr₂ (SO₄)₃ + S + K₂SO ₄ + H₂O.

4.10. Уравнять реакцию:

Zn + KNO₃ + KOH → K₂ZnO₂ + KNO₂ +H₂O.

4.11. Уравнять реакцию: Cl₂ + KOH → KClO₃ + KCl + H₂O.

4.12. Уравнять реакцию:

N₂H₄ + NaOH + Zn → NN₃ + Na₂ZnO₂.

4.13. Уравнять реакцию:

KMnO₄ + H₂O₂ + H₂SO₄ → K₂ SO₄ + MnSO₄ + O₂ + H₂O.

 

 

Способы выражения концентраций растворов

Массовая доля

Концентрация вещества – физическая величина (размерная или безразмерная), определяющая количественный состав раствора или смеси. Ниже будут рассмотрены два способа выражения концентрации растворов – массовая доля и молярная концентрация растворенного вещества.

Массовая доля растворенного вещества В (символ ω_В, безразмерная величина) – равна отношению массы растворенного вещества В (m_B) к массе раствора (m_p):

( 5.1.)

Умножая массовую долю на сто, получают массовый процент растворенного вещества (В), называемый часто процентной концентрацией, хотя термин «процентная концентрация» не рекомендован к использованию.

Масса раствора и объем связаны между собой соотношением:

m = ρ∙V, (5.2.)

где: m – масса раствора; V – объём раствора; ρ – плотность раствора.

Отметим, что для приближенных расчётов плотность воды при температурах, не сильно отличающихся от 25^оС, принимают равной 1 г/см³.

Пример 5.1. Найти массу хлорида натрия и воды, содержащиеся в 300г раствора поваренной соли с массовой долей 0,06.

Решение. Массовая доля 0,06 означает, что в 100г раствора содержится 6г NaCl. Следовательно:

в 100г раствора содержится 6г NaCl,

а в 300г “ “ “ х г “

.

Масса раствора равна сумме массы растворителя и растворенного вещества, следовательно, масса растворителя равна разности масс раствора и растворенного вещества

300 - 18 = 282г H₂O.

Пример 5.2. Какой объем воды потребуется для приготовления раствора сульфата натрия с массовой долей 0,01 исходя из 15г соли?

Решение. Массовая доля соли равная 0,01 означает, что в 100г раствора содержится 1г растворенного вещества.

1г Na₂SO₄ содержится в 100г раствора

15г “ “ “ х г “ “

Масса раствора равна сумме массы растворителя и растворенного вещества, следовательно, масса растворителя равна разности масс раствора и растворенного вещества

1500 -15 = 1485г.

Плотность воды принимаем ρ=1 г/см³, и, следовательно, объем воды численно равен её массе и составляет 1485 см³.

Пример 5.3. Найти массы кристаллогидрата пентагидрата сульфата меди (медный купорос, CuSO₄^.5Н₂О) и воды, необходимые для приготовления 400г 5 % раствора.

Решение. Концентрация 5% означает, что в 100г раствора содержится 5г безводной соли, т.е. сульфата меди CuSO₄ (концентрация всегда выражает содержание безводной соли). Следовательно, источником части воды, входящей в состав раствора будет кристаллогидрат CuSO₄^.5Н₂О.

Найдем массу безводной соли, используя пропорцию:

100г раствора содержат 5г CuSO₄

400г “ “ x г “

.

Найдём массу кристаллогидрата, соответствующую 20г безводной соли, исходя из молярных масс CuSO₄^.5Н₂О (М=250 г/моль) и CuSO₄ (М=160 г/моль):

160г CuSO₄ содержатся в 250г CuSO₄^.5Н₂О

20г “ “ x г “

Следовательно, для приготовления 400г 5 % раствора CuSO₄, необходимо взять 31,25г CuSO₄^.5Н₂О и 400 – 31,25 = 368,75г воды. При этом в 400г раствора будет содержаться 20г CuSO₄ и 380г воды.

Пример 5.4. Найти массовую долю хлороводорода в растворе, полученном смешением 100 мл 5 % (ρ=1,023 г/см³) и 200 мл 20 % (ρ=1,098 г/см³) соляной кислоты.

Решение. Найдём массы исходных растворов:

m_5%=100^.1,023=102,3г; m_10%=200^.1,098=219,6г.

Масса раствора после смешения составит:

m=102,3+219,6=321,9г.

Найдём массы HCl, содержащиеся в исходных растворах по формуле:

m_HCl=m_р-р^.ω.

m=102,3^.0,05=5,115г;

m=219,6^.0,20=43,92г.

Масса хлороводорода в растворе после смешения составит:

m= 5,115 + 43,92 = 49,035г,

а массовая доля HCl будет:

Пример 5.5. В результате упаривания 500г 2 % раствора сульфата натрия получено 300г раствора. Найти массовую долю растворённого вещества в полученном растворе.

Решение. В процессе упаривания из раствора улетучивалась вода, т.к. сульфат натрия практически не летуч. Следовательно, масса растворённого вещества не изменилась и составляет

500^.0,02=10г Na₂SO₄.

Массовая доля сульфата натрия в растворе после упаривания составит:

.

Пример 5.6. Какой объём 98 % серной кислоты (ρ=1,8365 г/см³) и воды потребуется для приготовления 1л 5 % раствора (ρ=1,0315 г/см³)?

Решение. Найдём массу 1л 5 % раствора:

m=1000^.1,0315=1031,5г.

Масса серной кислоты в 5 % растворе составит:

m=1031,5^.0,05=51,55г.

Найдём массу 98% раствора, в которой содержится 65,75г серной кислоты:

100г 98 % раствора содержат 98г Н₂SO₄

х г “ “ “ 51,55г “

.

Объём 98 % раствора составит:

Определим массу воды, необходимую для приготовления раствора:

m=1031,5 – 52,6 =978,9г.

Принимая плотность воды равной 1,0 г/см³, получим объём воды, необходимый для приготовления 1л 5 % раствора, равный 978,9 мл.

Пример 5.7. Какой объём 2% соляной кислоты (ρ=1,008 г/см³) потребуется для получения 0,2866г хлорида серебра в результате реакции с раствором нитрата серебра?

Решение. Из уравнения реакции

HCl + AgNO₃ = AgCl↓ + HNO₃

следует, что

для получения 143,5г AgCl необходимо 36,5г HCl

“ 0,2666г “ “ х г “

.

В 100г раствора содержится 2г HCl

“ x г “ “ 0,0678г HCl

.

Объём 2% раствора соляной кислоты, необходимый для реакции, составит:

.

Контрольные вопросы и задачи

 

5.1. Сколько граммов серной кислоты содержится в 500г 10 % раствора? Ответ: 50г.

5.2. Какой объём воды необходим для приготовления 200г 5 % раствора хлорида калия? Ответ:190 см³.

5.3. Сколько граммов железного купороса (гептагидрат сульфата железа FeSO₄ ^.7Н₂О) необходимо для приготовления 600г 8 % раствора? Ответ: 87,8г.

5.4.H₂SO₄ в растворе, полученном смешением 50 мл 6 % (ρ=1,038 г/см³) и 250 мл 18 % (ρ=1,124 г/см³) серной кислоты. Ответ: 0,16.

5.5. Найти массовую долю хлорида в растворе, полученном растворением 2г KCl в 300 см³ 5 % раствора хлорида калия (ρ=1,030 г/см³). Ответ: 0,108.

5.6. Какие объёмы 50 % азотной кислоты (ρ=1,310 г/см³) и воды необходимо смешать для получения 1/2 л 10 % раствора HNO₃ (ρ=1,054 г/см³)? Ответ: 80,5 мл 50 % HNO₃ и 421,6 мл Н₂О.

5.7. Какой объём 10% HNO₃ (ρ=1,054 г/см³) потребуется для растворения 10г карбоната кальция? Ответ: 119,5 мл.

 

Основной курс

Введение

 

 

Химия относится к естественным наукам. Предметом изучения химии является состав, свойства и структура веществ, законы превращения одних веществ в другие. Химия ^_ это наука о взаимных превращениях веществ.

Химия играет важнейшую роль в жизни человечества.

Производство химических удобрений, средств защиты растений и животных позволило решить проблему производства продуктов питания.

Создание и производство синтетических лекарственных препаратов позволило резко сократить смертность и увеличить среднюю продолжительность жизни человека.

Создание и производство искусственных и синтетических волокон и пленок решило проблему одежды и обуви.

Прогресс всех отраслей техники основан, прежде всего, на создании химической наукой материалов с особыми свойствами. Отсюда вытекает важность изучения химии для современного специалиста в любой области техники.