Электронная структура атомов. Зависимость свойств элементов строения их атомов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технический университет

Им. А.Н. Туполева - КАИ»

(КНИТУ-КАИ)

 

Лощакова Э.У., Сударев Ю.И.

 

Методические указания по дисциплине «Химия» для студентов заочного отделения по направлениям подготовки бакалавров: 150100.62 «Материалове-дение и технология материалов», профиль – материаловедение и технология новых материалов; 150700.62 «Машиностроение», профиль – оборудоваие и

технология сварочного производства.

 

Казань 2014

 

ВВЕДЕНИЕ

Химия является одной из важнейших естественных наук. Без знания химии немыслимо понимание процессов превращения веществ, совершенствование и создание новых, в том числе, экологически чистых процессов, машин, приборов, установок, создание веществ и материалов, которых нет в природе.

Химизация народного хозяйства приносит большой экономический эффект. Знание законов химии и их использование, выбор оптимального пути процесса исключительно важны для повышения эффективности производства и качества продукции. Знание химии позволяет решать энергетические, сырьевые и экологические проблемы, являющиеся актуальными в любом производстве, бизнесе и жизни.

В методических указаниях кратко изложены основные разделы курса общей химии, представлены решения типовых задач и контрольные задания для студентов заочного отделения.

За основу в методических указаниях взят учебник для технических направлений и специальностей вузов «Общая химия» / Н.В.Коровин – 4-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2007. – 557 с.

1. СТРОЕНИЕ АТОМА

Задачи

1. Сколько значений магнитного квантового числа возможно для электронов энергетического подуровня, орбитальное квантовое число которого ? ?

2. Какое максимальное число электронов может содержать атом в электронном слое с главным квантовым числом ?

3. Определить по правилу Клечковского последовательность заполнения электронных орбиталей, характеризующихся суммой n+l: а) 5; б) 6; в) 7.

4. Указать порядковый номер элемента, у которого: а) заканчивается заполнение электронами орбиталей 4d; б) начинается заполнение подуровня 4p.

5. Какой подуровень заполняется в атомах после подуровня 5s?

6. У какого элемента начинает заполняться подуровень 4f? У какого элемента завершается заполнение этого подуровня?

7. Какой подуровень заполняется в атомах после заполнения подуровня 5p?После заполнения подуровня 5d?

8. Записать электронные формулы атомов электронов с зарядами ядра: а) 8; б) 13; в) 18; г) 23; д) 53; е) 63; ж) 83. Составить графические схемы заполнения электронами валентных орбиталей этих атомов.

9. Среди приведенных ниже электронных конфигураций указать невозможные и объяснить причину невозможности их реализации: а) ; б) ; в) ; г) ; д) ; е) ; ж) ; З.) ; и) .

10. Сколько вакантных 3d-орбиталей имеют возбужденные атомы: а) Cl; б) V; в) Mn?

11. Сколько неспаренных электронов содержат невозбужденные атомы: а) В; б) S; в) As; г) Cr; д) Hg; е) Eu?

12. Составить электронно–графические схемы ионов и . Чем можно объяснить особую устойчивость электронной конфигурации иона ?Указать особенности электронных конфигураций атомов меди и хрома. Сколько 4s-электронов содержат невозбужденные атомы этих элементов?

13. Структура валентного электронного слоя атома элемента выражается формулой: а) ; б) . Определить порядковый номер и название элемента.

14. Электронная структура атома описывается формулой . Какой это элемент?

15. Написать электронные формулы ионов: а) ; б) ; в) ; г) ; д) ;е) .

16. У элементов каких периодов электроны внешнего слоя характеризуются значением n+l=5?

17. Перечислить электронные аналоги среди элементов VI группы периодической системы элементов. Написать в общем виде электронные формулы валентных электронных подуровней атомов этих элементов.

18. На каком основании хром и сера, фосфор и ванадий расположены в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?

19. Почему медь имеет меньший атомный объем, чем калий, расположенный в той же группе и в том же периоде?

20. Для атома углерода значение последовательных потенциалов ионизации составляют (в В): I₁=11,3, I₂=24,4, I₃=47,9, I₄=64, I₅=392. Объяснить: а) ход изменения потенциалов ионизации; б) чем вызван резкий скачок при переходе от I₄ к I₅.

21. Энергии ионизации атомов благородных газов составляют (в эВ): He – 24,6; Ne – 21,6; Ar – 15,8; Kr – 14,0; Xe – 12,1; Rn – 10,8. объяснить ход измерения энергии ионизации в этой подгруппе.

22. Значения первых потенциалов ионизации элементов I группы периодической системы элементов соответственно равны (в В): Li – 5,4; Cs – 3,9; Cu – 7,7; Ag – 9,2. Указать: а) у элементов какой подгруппы I группы металлические свойства выражены более резко; б) чем объяснить различный ход изменения значений потенциалов ионизации в подгруппах.

23. Одинакова ли энергия ионизации атома цезия и атома лития, у какого валентный электрон предварительно возбужден на 6s-подуровень? Ответ обосновать.

24. Как изменяется с ростом порядкового номера значение первого потенциала ионизации у элементов второго периода? Чем объяснить, что первый потенциал ионизации атома Ве больше, чем атомов Li и B?

25. Объяснить ход изменения энергии ионизации (в эВ) в ряду Mg – Al – Si:

Mg Al Si

7,6 6,0 8,2

15,0 18,8 16,3

80,1 28,4 33,5

 

 

Задачи

26. Символ одного из изотопов элемента . Указать: а) название элемента; б) число протонов и нейтронов в ядре; в) число электронов в электронной оболочке атома.

27. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 15 электронов. Назвать элемент, изотопом которого является данный атом. Привести запись его символа с указанием заряда ядра и массового числа.

28. Массовое число атома некоторого элемента равно 181, в электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Указать число протонов и нейтронов в ядре атома и название элемента.

29. В природных соединениях хлор находится в виде изотопов [75,5% (масс.)] и [24,5% (масс.)]. Вычислить среднюю атомную массу природного хлора.

30. Природный магний состоит из изотопов , , . Вычислить среднюю атомную массу природного магния, если содержание отдельных изотопов в атомных процентах соответственно равно 78, 6, 10,1 и 11,3.

31. Природный галлий состоит из изотопов и . В каком количественном соотношении находятся между собой числа атомов этих изотопов, если средняя атомная масса галлия равна 69,72?

32. Найти массу изотопа , оставшуюся через 25,5 ч хранение, если первоначальная масса его составляла 200 мг.

33. Вычислить процент атомов изотопа , оставшихся нераспавшимися после его хранения в течение 2,5 ч.

34. Период полураспада β^— -радиоактивного изотопа Νа²⁴ равен 14,8ч. Написать уравнение реакции распада и вычислить сколько граммов дочернего продукта образуется из 24г Νа²⁴ за 29,6 ч.

Адачи

35. При соединении 2,1г железа с серой выделилось 3,77кДж. Рассчитать теплоту образования сульфида железа.

36. Найти количество теплоты, выделяющейся при взрыве 8,4л гремучего газа, взятого при нормальных условиях.

37. Определить стандартную энтальпию (ΔН°₂₉₈) образования РН_3, исходя из уравнения:

2РН₃ (г.) + 4О₂ (г.) = Р₂0₅ (к.) + ЗН₂О (ж.); ΔН ° = -2360 кДж

38. Исходя из теплового эффекта реакции

ЗСаО (к.) + Р₂О₅ (к.) = Са₃(РО₄)₂ (к.); ΔН ° = — 739 кДж

определить ΔН^о ₂₉₈ образования ортофосфата кальция.

39. Исходя из уравнения реакции

СН₃ОН (ж.) + ³/2 О₂ (г.) = С0₂ (г.) + Н₂О (ж.); ΔН ° = — 726,5 кДж

вычислить ΔН°₂₉₈ образования метилового спирта.

40. При восстановлении 12,7г оксида меди(II) углем (с образованием СО) поглощается 8,24кДж.Определить ΔН°₂₉₈ образования СиО.

41. При полном сгорании этилена (с образованием жидкой воды) выделилось 6226кДж. Найти объем вступившего в реакцию кислорода (условия нормальные).

42. Водяной газ представляет собой смесь равных
объемов водорода и оксида углерода(II). Найти количество теплоты, выделяющейся при сжигании 112л водяного газа, взятого при нормальных условиях.

43. Сожжены с образованием Н₂О(г)равные объемы водорода и ацетилена, взятых при одинаковых условиях. В каком случае выделится больше теплоты? Во сколько раз?

44. Определить ΔН°₂₉₈ реакции ЗС₂Н₂(г.)=С₆Н₆(ж.),если ΔН°₂₉₈ реакции сгорания ацетилена с образованием С0₂(г.) и Н₂О(ж.) равно —1300 кДж/моль,ΔН°₂₉₈образования бензола (ж.) составляет 82,9 кДж/моль.

45. Определить ΔН°₂₉₈ образования этилена, используя следующие данные:

С₂Н₄ (г.) + 30₂ (г.) = 2С0₂ (г.) + 2Н₂0 ΔН °=-1323кДж

С (графит) + О₂ (г.) = СО₂ (г.); ΔН °=-393,5кДж

Н₂(г)+1/2О₂(г)=Н₂О(г) ΔН °=-241,8кДж

46. Сравнить ΔН°₂₉₈ реакции восстановления оксида железа (III) различными восстановителями при 298 К:

а) Fe₂O₃ (к.) + Н₂ (г.) = 2 Fe (к.) + ЗН₂О (г.)

б) Fe₂O₃ (к.) + ЗС (графит) =2Fe (к.) + ЗСО (г.)

в) Fe₂O₃ (к.) + ЗСО (г.) = 2Fe (к.) + ЗСО₂ (г.)

47. Найти массу метана, при полном сгорании которого (с образованием жидкой воды) выделяется теплота, достаточная для нагревания 100г водыот 20 до 30 °С. Мольную теплоемкость воды принять равной 75,3 Дж/(моль*К).

48. Вычислить ΔН°₂₉₈ образования MgCO₃(к.) при 298 К, пользуясь следующими данными:

С (графит) + О₂ (г.) = СО₂ (г.); ΔН°₂₉₈ = — 393,5 кДж

2Mg (к.) + О₂ = 2MgO (к.); ΔН°₂₉₈ = - 1203,6 кДж

MgO (к.) + С0₂ (г.) = MgC0₃ (к.); ΔН°₂₉₈ = - 1 17,7 кДж

 

49. Вычислить ΔН°₂₉₈ реакций:

д) 2 Li (к.) + 2Н₂О (ж.) = 2Li⁺ (водн.) + 2ОН" (водн.) + Н₂ (г.)

б) 2Na (к.),+ 2Н₂О (ж.) = 2Na⁺ (водн.) + 2ОН' (водн.) + Н₂ (г.)

Стандартные энтальпии образования Li+ (водн.), Na+ (водн) и ОН- (водн.) принять соответственно равными —278,5, —239,7 и —228,9 кДж/моль.

50. Вычислить значение ΔН°₂₉₈ для протекающих в организме реакций превращения глюкозы:

a) C₆H₁₂O₆ (к.) = 2С₂Н₅ОН (ж.) + 2СО₂ (г.)

б) С₆Н₁₂О₆ (к.) + 60₂ (г.) = 6СО₂ (г.) + 6Н₂О (ж.)

Какая из этих реакций поставляет организму больше энергии?

51. Зависит ли значение ΔН° реакции от присутствия в системе катализаторов? Ответ обосновать.

52. Объяснить, почему процессы растворения веществ в воде могут самопроизвольно протекать не только с экзотермическим (ΔН°<0), но и с эндотермическим (ΔН° >0) эффектом.

53. Не производя вычислений, установить знак ∆S⁰ следующих процессов:

а) 2NH₃ (г.) = N₂ (г.) + ЗН₂ (г.)

б) С0₂ (к.) = С0₂ (г.)

в) 2NO (г.) + О₂ (г.) = 2NO₂ (г.)

г) 2H₂S (г.) + ЗО₂ (г.) = 2Н₂0 (ж.) + 2SO₂ (г.)

д)2СН₃0Н (г) + 30₂(г.) = 4Н₂О (г.)+ 2CO_{2 (}г.)

54. Определить знак изменения энтропии для реакции: 2А₂(г.) +В₂(г.) =2А₂В(ж.). Возможно ли протекание этой реакции в стандартных условиях? Ответ обосновать.

55. Указать знаки ΔН, ΔS и ∆G для следующих процессов а) расширение идеального газа в вакуум; б) испарение воды при 100°С и парциальном давлении паров воды 101,325 кПа (760мм рт. ст.); в) кристаллизация переохлажденной воды.

56. Определить знаки ΔН°, ∆S° и ∆G° для реакции
АВ(к.) + В₂(г.) = АВ₃(к.), протекающей при 298К в прямом направлении. Будет ли ∆G° возрастать или убывать с ростом температуры?

57. Почему при низких температурах критерием,
определяющим направление самопроизвольного протекания реакции, может служить знак ΔН, а при достаточно высоких температурах таким критерием является знак ∆S?

58. Рассчитать значения ∆G^о₂₉₈ следующих реакций и установить, в каком направлении они могут протекать самопроизвольно в стандартных условиях при 25 °С':

а) NiO (к.) + РЬ (к). = Ni (к.) + РЬО (к.)

б) РЬ (к.) + СиО (к.) = РЬО (к.) + Си (к.)

в) 8А1 (к). + 3Fe₃O₄ (к.) = 9Fe (к.) + 4А1₂О₃ (к.)

59. Пользуясь справочными данными, показать, что в стандартных условиях при 25 °С реакция

Си (к.) + ZnO (к.) = СиО (к.) + Zn (к.) невозможна.

60. Установить, протекание каких из нижеследующих реакций возможно в стандартных условиях при25°С:

а) N₂ (г.) + 1/₂0₂ (г.) = N₂0 (г.)

б) 4НС1 (г.) + 0₂ (г.) = 2С1₂ (г.) + 2Н₂О (ж.)

в) Fe₂O₃ (к.) + ЗСО (г.) = 2Fe (к.) + ЗСО₂ (г.)

61. Вычислить ∆G° для реакции:

СаСОз (к.) = СаО (к.) + СО₂ (г.)

при 25, 500 и 1500°С: Зависимостью ΔН ° и ∆S" от температуры пренебречь. Построить график зависимости ∆G° от температуры и найти по графику температуру, выше которой указанная реакция в стандартных условиях может протекать самопроизвольно.

62. Вычислить значения ∆G₂₉₈ следующих реакций восстановления оксида железа (II):

а) FeO (к.) + 1/2С (графит) = Fe (к.) + '/₂СО₂ (г.).

б) FeO (к.) + С (графит) = Fe (к.) + СО (г.)

в) FeO (к.) + СО (г.) = Fe (к.) + СО₂ (г.)

Протекание какой из этих реакций наиболее вероятно?

63. Какие из перечисленных оксидов могут быть восстановлены алюминием при 298 К: СаО, FeO, CuO,РЬО, Fe₂O₃, Cr₂O₃?

64. Какие из перечисленных оксидов могут быть восстановлены водородом до свободного металла при 298 К: СаО, ZnO, SnO_2,NiO, A1₂O₃?

65. Указать какие из реакций образования оксидов азота и при каких температурах (высоких или низких) могут в стандартных условиях протекать самопроизвольно:

а) 2N₂ (г.) + 0₂ (г.) = 2N₂0 (г.);ΔН ° ₂₉₈> О

б) N₂ (г.) + 0₂ (г.) = 2NO (г.); ΔН ° ₂₉₈> О

в) 2NO (г.) + О₂ (г.) = 2NO₂ (к.); ΔН ° ₂₉₈ < О

г) N0 (г.) + N0₂(г.) = N₂0₃ (к.); ΔН ° ₂₉₈ < О

д) N₂ (г.) + 20₂ (г.) = 2N0₂ (г.); ΔН ° ₂₉₈ > О

 

Задачи

66. Найти значение константы скорости реакции А+В АВ, если при концентрациях веществ А и В, равных соответственно 0,05 и 0,01 моль/л, скорость реакции равна 5*10 моль/л (л *мин).

67. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А+В А В, если концентрацию вещества А увеличить в два раза, а концентрацию вещества В уменьшить в два раза?

68. В два сосуда одной и той же вместимости введены: в первый 1 моль газа А и 2 моль газа В, во второй – 2 моль газа А и 1 моль газа В. Температура в обоих сосудах одинакова. Будет ли различаться скорость реакции между газами А и В в этих сосудах, если скорость реакции выражается: а) уравнением б) уравнением ?

69. Через некоторое время после начала реакции ЗА+В 2С+D концентрации веществ составляли: =0,03 моль/л; =0,01 моль/л; = 0,008 моль/л. Каковы исходные концентрации веществ А и В?

70. В системе СО+Сl₂ = СОСl₂ концентрацию увеличили от 0,003 до 0,12 моль/л, а концентрацию хлора от 0,02 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?

71. Реакция между веществами А и В выражается уравнением: А+2В С. Начальные концентрации составляют: = 0,03 моль/л, = 0,05 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,4. Найти начальную скорость реакции скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,01 моль/л.

72. Как изменится скорость реакции 2 NO(г.) + О (г.) NО (г.), если: а) увеличить давление в системе в 3 раза; б) уменьшить объем системы в 3 раза; в) повысить концентрацию NО в 3 раза?

73. Две реакции протекают при 25 С с одинаковой скоростью Температурный коэффициент скорости первой реакции равен 2,0, а второй – 2,5. Найти отношение скоростей этих реакций при 95 С.

74. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 30 градусов скорость реакции возрастает в 15,6 раза?

75. Температурный коэффициент скорости некоторой реакции равен 2,3. Во сколько раз увеличится скорость этой реакции, если повысить температуру на 25 градусов?

76. При 150 С некоторая реакция заканчивается за 16 мин. Принимая температурный коэффициент скорости реакции равным 2,5, рассчитать, через какое время закончится эта реакция, если проводить ее: а)при 200 С; б) при 80 С.

77. Изменится ли значение константы скорости реакции: а) при замене одного катализатора другим; б) при изменении концентраций реагирующих веществ?

78. Зависит ли тепловой эффект реакции от ее энергии активации? Ответ обосновать.

79. Для какой реакции - прямой или обратной – энергия активации больше, если прямая реакция идет с выделением теплоты?

80. Во сколько раз увеличиться скорость реакции, протекающей при 298 К, если энергию активации ее уменьшить на 4 Дж/моль?

81. Чему равна энергии активации реакции, если при повышении температуры от 290 до 300К скорость ее увеличится в 2 раза?

82. Каково значение энергии активации реакции, скорость которой при 300 К в 10 раз больше, чем при 280 К?

83. Энергия активации реакции равна 10 Дж/моль. Во сколько раз изменится скорость реакции при повышении температуры от 27 до 37 ?

84. Зависит ли температурный коэффициент скорости реакции от значения энергии активации? Ответ обосновать.

85. Зависит ли значение энергии активации реакции в случае гетерогенного катализа от площади поверхности катализатора и от ее структуры?

86. Реакция протекает с выделением теплоты. Однако для того, чтобы реакция началась, исходную смесь газов надо нагреть. Как это объяснить?

87. Схематически изобразить энергетическую диаграмму экзотермической реакции . Какая реакция – прямая или обратная характеризуется большей константой скорости?

88. Схематически изобразить энергетическую диаграмму реакции , если , а для реакции в целом

89. Почему в цепной реакции зарождение цепи начинается с радикала С *, а не с радикала Н*?

 

Задачи.

90. Нужно приготовить раствор, содержащий в 1л 0,5моля NaCl, 0,16 моля KCl, 0,24 моля K₂SО₄. Как это сделать имея в своем распоряжении только NaCl, KCl и Nа₂SО₄?

91. Константа диссоциации масляной кислоты С₃Н₇СООН 1,5*10 . Вычислить степень ее диссоциации в 0,005 М растворе.

92. Найти степень диссоциации хлорноватистой кислоты НОCl в 0,2 н. растворе.

93. Степень диссоциации муравьиной кислоты HCOOH в 0,2 н. растворе равна 0,03. Определить константу диссоциации кислоты и значение рК.

94. Степень диссоциации угольной кислоты H₂СО₃ по первой ступени в 0,1 н. растворе равна 2,11*10 . Вычислить К .

95. При какой концентрации раствора степень диссоциации азотистой кислоты HNO будет равна 0,2?

96. В 0,1 н. растворе степень диссоциации уксусной кислоты равна 1,32*10 .При какой концентрации азотистой кислоты HNO ее степень диссоциации будет такой же?

97. Сколько воды нужно прибавить к 300 мл 0,2 М раствора уксусной кислоты, чтобы степень диссоциации кислоты удвоилась?

98. Чему равна концентрация ионов водорода Н в водном растворе муравьиной кислоты, если равна 0,03?

99. Вычислить в 0,02 М растворе сернистой кислоты. Диссоциацией кислоты во второй ступени пренебречь.

100. Вычислить , и в 0,05 М растворе Н Se.

101. Во сколько раз уменьшится концентрация ионов водорода, если к 1 л о,005 М раствора уксусной кислоты добавить 0,05 моля ацетата натрия?

102. Рассчитать концентрацию ионов СН₃СОО^- в растворе, 1 л которого содержит 1 моль СН СООН и 0,1 моля НCl, считая диссоциацию последнего полной.

103. Исходя из значений последовательных констант диссоциации ортофосфорной кислоты, определить знак изменения энергии Гиббса для каждой из трех ступеней диссоциации. Для какой из них имеет наибольшее абсолютное значение?

104. Раствор, содержащий 2,1 г. КОН в 250 г воды, замерзает при -0,519 . Найти для этого раствора изотонический коэффициент.

105. При нуле градусов осмотическое давление 0,1 н. раствора карбоната калия равно 272,6 кПа. Определить кажущуюся степень диссоциации соли.

106. Раствор, содержащий 0,53 г карбоната натрия в 200г воды, кристаллизуется при -0,13 С. Вычислить кажущуюся степень диссоциации соли.

107. В равных количествах воды растворено в одном случае 0,5 моля сахара, а в другом -0,2 моля CaСl . Температуры кристаллизации обоих растворах одинаковы. Определить кажущуюся степень диссоциации CaCl .

108. При100 давление пара раствора содержащего 0,05 моля сульфата натрия в 450г воды, равно 100,8 кПа (756,2 мм рт. ст.). Определить кажущуюся степень диссоциации Na₂SО₄.

109. В 1 л 0,01 М раствора уксусной кислоты содержится 6,26* 10 ее молекул и ионов. Определить степень диссоциации уксусной кислоты.

110. Кажущаяся степень диссоциации хлорида калия в 0,1 н. растворе равна 0,80. Чему равно осмотическое давление этого раствора при 17

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ

Степень окисленности

Степень окисленности элемента в соединении определяется как число электронов, смещенных от атома данного элемента к другим атомам (при положительной окисленности) или от других атомов к атому данного элемента (при отрицательной окисленности).

Для вычисления степени окисленности элемента в соединении следует исходить из следующих положений: 1) степени окисленности элементов в простых веществах принимаются равными нулю; 2) алгебраическая сумма степеней окисленности всех атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю; 3) постоянную степень окисленности в соединениях проявляют щелочные металлы (+1), металлы главной подгруппы II группы, цинк и кадмий (+2); 4) водород проявляет степень окисленности +1 во всех соединениях, кроме гидридов металлов (NaH, CaH₂ и т. п.), где его степень окисленности равна —1; 5) степень окисленности кислорода в соединениях равна —2, за исключением пероксидов (— 1) и фторида кислорода OF₂ (+2).

Исходя из сказанного, легко, например, установить, что в соединениях NH₃, N₂H₄, NH₂OH, N₂O, NO, HNO₃, N0₂ и HNO₃ степень окисленности азота соответственно равна -3, —2, —1, +1, +2, +3, +4, +5.

Окислительно-восстановительными называются такие реакции, в результате которых изменяется степень окисленности одного или нескольких элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Отдача атомом электронов, сопровождающаяся повышением его степени окисленности, называется окислением; присоединение атомом электронов, приводящее к понижению его степени окисленности, называется восстановлением.

Вещество, в состав которого входит окисляющийся элемент, называется восстановителем; вещество, содержащее восстанавливающийся элемент, называется окислителем. Так, в реакции: 4А1 + ЗО₂ = 2А1₂О₃ алюминий повышает степень окисленности от 0 до +3 и служит восстановителем; в результате реакции восстановленная форма алюминия (свободный алюминий) окисляется и превращается в сопряженную с ней окисленную форму (алюминий в степени окисленности +3). Кислород в этой реакции понижает степень окисленности от 0 до —2 и служит окислителем; в результате реакции окисленная форма кислорода (свободный кислород) восстанавливается и превращается в сопряженную с ней восстановленную форму (кислород в степени окисленности —2). Оба процесса — окисление и восстановление — протекают одновременно. При этом общее число электронов, отданных восстановителем, равно общему числу электронов, принятых окислителем, В рассмотренной реакции взаимодействуют два вещества, одно из которых служит окислителем (кислород), а другое — восстановителем (алюминий). Такие реакции относятся к реакциям межмолекулярного окисления-восстановления. Реакция 4H_SPO₃ = ЗН₃РО₄ + РН₃ служит примером реакций самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования), в которых одновременно образуются соединения, содержащие данный элемент в более окисленном и в более восстановленном состоянии по сравнению с исходным; при этом исходное вещество проявляет функции как окислителя, так и восстановителя. В последней реакции фосфористая кислота НзРО₃ (степень окисленности фосфора +3) выступает одновременно в роли окислителя, причем фосфор восстанавливается до степени окисленности —3 (РН₃), и в роли восстановителя, причем фосфор окисляется до степени окисленности +5 (НзРО₄). Подобные реакции возможны, если соответствующий элемент находится в исходном соединении в промежуточной степени окисленности; так, в рассмотренном примере степень окисленности фосфора в исходном соединении (+З) имеет промежуточное значение между возможными максимальной (+5) и минимальной (—3) степенями окисленности этого элемента. В реакции (NH₄)₂Cr₂0₇ = N₂ + Cr₂0₃ + 4Н₂0 восстанавливается хром, понижающий степень окисленности от +6 до +3, а окисляется азот, повышающий степень окисленности от —3 до 0. Оба эти элемента входят в состав одного и того же исходного вещества. Реакции такого типа называются реакциями внутримопекулярного окисления-восстановления. К ним относятся, в частности, многие реакции термического разложения сложных веществ.

Задачи

111.Определить степень окисленности серы в следующих соединениях: SO₂, H₂S, Na₂SO₃, CS₂, H₂SO₄, As₂S₃.

112.Определить степень окисленности хрома в следующих соединениях: К₂СгО₄, Сг₂О₃, Fe(CrO₂)_2, K₂Cr₂O₇, Cr₂(SO₄)₃ , Na₃[Cr(OH)₆].

113.Указать, какие из приведенных процессов представляют собой окисление и какие — восстановление: S→SO4^2-; S→S^2-; Sn→Sn⁴⁺; К→К⁺; Br₂→2Br; 2Н^+→Н₂; Н₂→2Н^-; V²⁺→VO₃^-; Сℓ→СℓО₃ ^-; IО₃ ^-→I_2; МпО₄^-→МпО₄^2-.

114. Указать, в каких из приведенных процессов происходит окисление азота и в каких — восстановление, как изменяется в каждом случае степень окисленноста азота: NH₄⁺→N₂; NO₃^- _→NO; NO₂^-→N0₃^-; NO₂→NO₂^-.

115. Какие из следующих реакций относятся к окислительно-восстановительным?

а) Н₂ + Вг₂ = 2НВг

б) NH₄C1 = NH₃ + НС1

в) NH₄NO₃ = N₂O + 2Н₂О

г) 2K₂CrO₄ +H₂SO₄ =-K₂Cr₂O₇ + K₂SO₄ + H₂O

д) НзВОз + 4HF = HBF₄ + ЗН₂О

е) Fe + S=FeS

116. Для следующих реакций указать, какие вещества и за счет каких именно элементов играют роль окислителей и какие — восстановителей:

а) S0₂ + Вг₂ + 2Н₂О = 2HBr + H₂SO₄

б) Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + Н₂

в) Си + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ +2H₂O

г) 3I₂ + 6КОН = КIО₃ + 5KI + ЗН₂О

117. Какие из приведенных реакций относятся к реакциям межмолекулярного окисления-восстановления, к реакциям внутримолекулярного окисления-восстановления и к реакциям диспропорционирования?

а) 4КМnО₄ + 4КОН = 4К₂МnО₄ +О₂ + 2Н₂О

б) H₂SO₃ + 2H₂S = 3S + ЗН₂О

в) NH₄NO₂ = N₂ + ЗН₂О

г) 4Р + ЗКОН + ЗН₂О = РН₃ + ЗКН₂Р0₂

д) 2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂

е) 2KMnO₄ + 3MnSO₄ + 4Н₂О = 5MnO₂ + K₂SO₄ + 2H₂SO₄

118. Указать, какие из перечисленных реакций относятся к окислительно-восстановительным:

а) Cr₂(S0₄)₃ + 6RbOH = 2Cr(OH)₃ + 3Rb₂SO₄

б) 2Rb + 2Н₂О = 2RbOH + Н₂

в) 2CuI₂ = 2CuI + I₂

г) NH₄C1 + NaOH == NaCl + NH₃ + H₂O

д)2К₄ [Fe(CN)₆] + Br₂ = 2Кз [Fe(CN)₆] + 2КВг

119. Среди приведенных превращений указать реакции диспропорционирования:

а) S + КОН →K₂SO₃ + K₂S + Н₂О

б) Аи₂О₃ →Au + O₂

в) НС1+ СгО₃ →СгС1₃ + С1₂ + Н₂О

г) НСlО₃ → С1О₂ + НСlО₄

д) N₂H₄ → N₂ + NH₃

е) AgNO₃ → Ag+NO₂ + O₂

120.До каких продуктов может быть окислена вода: а) до О₂ и Н+; б) до ОН- и Н₂; в) до 2ОН^-?

121.В каких из указанных превращений кислород выполняет функции восстановителя:

а) Ag₂O →Ag + О₂

б) F_t + Н₂О →HF + О₂

в) ΝН₃ + О₂ →N₂ + Н₂О

г) AgNO₃ + КОН + Н₂О₂ →Ag + KNO₃ + О₂

Окислители и восстановители

Элементы, находящиеся в высшей степени окисленности, могут только восстанавливаться, так как их атомы способны лишь принимать электроны: сера в степени окисленности +6 (H₂SO₄), азот +5 (HNO₃ и нитраты), марганец +7 (перманганаты), хром+6 (хроматы и дихроматы), свинец +4 (РЬО₂) и др.

Напротив, элементы, находящиеся в низшей степени окисленности, могут только окисляться, поскольку их атомы способны лишь отдавать электроны: сера в степени окисленности —2 (H₂S и сульфиды), азот —3 (NH₃ и его производные), иод —1 (HI и иодиды) и др.

Вещества, содержащие элементы в промежуточных степенях окисленности, обладают окислительно-восстановительной двойственностью. Такие вещества способны и принимать и отдавать электроны, в зависимости от партнера, с которым они взаимодействуют, и от условий проведения реакции.

Ниже характеризуются некоторые наиболее важные окислители и восстановители.

Окислители 1. Окислительные свойства характерны для типичных неметаллов (F₂, С1₂, Вг₂, I₂, О₂) в элементарном (свободном) состоянии. Галогены, выступая в качестве окислителей, приобретают степень окисленности —1, причем от фтора к иоду окислительные свойства ослабевают:

2F₂ + 2Н₂О = 4HF + О₂

4С1₂ + H₂S + 4Н₂О = 8НС1 + H₂S0₄

I₂ + H₂S=2HI + S

Кислород, восстанавливаясь, переходит в состояние окисленности —2 (Н₂О или ОН-);

4ΝН₃ + 5О₂ = 4NO + 6Н₂О

4FeS0₄ + О₂ + 2Н₂О = 4 (FeOH) SO₄

2.Среди кислородсодержащих кислот и их солей к наиболее важным окислителям относятся КМпО₄, К₂СгО₄, К₂Сг₂О₇, концентрированная серная кислота, азотная кислота и нитраты, кислородсодержащие кислоты галогенов и их соли.

Перманганат калия, проявляя окислительные свойства за счет Mn(VII), восстанавливается до разных продуктов в зависимости от кислотности среды: в кислой среде — до Мп²⁺ (степень окисленности марганца +2), в нейтральной и слабощелочной — до МnО₂ (степень окисленности +4), в сильнощелочной — до манганат-иона МnО₄^2- (степень окисленности +6):

5K₂SO₃ + 2КМnО₄ + 3H₂SO₄ = 6K₂SO₄ + 2MnSO₄ + ЗН₂О

ЗК₂ S O₃ + 2КМnО₄ + Н₂О = ЗК₂ S О₄ + 2MnO₂ + 2KOH

K₂SO₃ + 2КМn0₄ + 2КОН = K₂SO₄ + 2К₂МnО₄ + Н₂0

Хромат и дихромат калия (К₂СгО₄ и К₂Сг₂О₇) выступают в роли окислителей в кислой среде, восстанавливаясь до иона Сг³+, Поскольку в кислой среде равновесие:2СгО₄^2- + 2Н⁺ ↔ Сг₂О₇^2- + Н₂О

смещено вправо, то окислителем служит ион Сг₂О₇^2-

К₂Сг₂0₇ + 3H₂S + 4H₂S0₄ = Cr₂(S0₄)₃ + 3S + K₂SO₄ + 7H₂O