Задание для самоконтроля № 5.

Составить уравнения самостоятельно:

PbO₂ + HCl à PbCl₂ + Cl₂ + H₂O

Mn + O₂ à Mn₂O₇

Zn + HNO₃ à Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + H₂O

CuI₂ à CuI + I₂

H₂S + H₂SO₄ à S + H₂O

NaI + NaNO₂ + H₂SO₄à I₂ + NO₂ + Na₂SO₄ + H₂O

 

Как видно из уравнивания процессов, в которых получается большое количество продуктов, очень много приходится балансировать по атомам в конце уравнивания (водородных атомов, кислотных остатков). Существует еще один метод, в котором коэффициенты перед атомами воды или кислоты можно получить после электронного баланса.

 

Б) МЕТОД ИОННО - ЭЛЕКТРОННЫЙ (ПОЛУРЕАКЦИЙ) основан на составлении ионных уравнений для процессов окисления восстановителя и восстановления окислителя с последующим суммированием их в общее ионное уравнение:

MnO₄^- +8H⁺ + 5 e à Mn²⁺ + 4 H₂O 2 в-ие, ок-ль

NO₂^- + H₂O - 2 e à NO₃^-- + 2H⁺ 5 ок-ие, в-ль

2MnO₄^- +16H⁺ + 5NO₂^- + 5H₂O à 2Mn²⁺ + 8 H₂O + 5NO₃^-- + 10H⁺

2KMnO₄ + 5 NaNO₂ + 3H₂SO₄ à 5NaNO₃ + 2 MnSO₄ + K₂SO₄ + 3 H₂O

 

Область использования метода и его особенности.

• этот метод чаще используют для уравнения сложных реакций, приведенных выше в примерах 3 и 4;

 

• этим методом уравнивают реакции, протекающие в растворах.

• не обязательно знать и рассчитывать степени окисления элементов; достаточно знать какое вещество выступает в качестве окислителя, а какое - в качестве восстановителя;

• в полуреакциях кроме реагирующих ионов восстановителей и окислителей, баланс можно устанавливать с помощью молекул воды - Н₂О, катионов водорода -Н ⁺ , анионов гидроксогруппы - ОН^-; все зависит от среды, в которой протекает реакция; ионы Н⁺ и ОН^- могут освобождаться из молекул

воды или связываться в нее, отдавая атомы водорода или ОН^- в новые вещества или «прихватывая» их из исходных соединений.

• в полуреакциях записывают ионы исходных веществ, содержащие элементы восстановители и окислители, а также ионы полученных из них продуктов реакции. Это правило выполняется для сильных электролитов. Слабые электролиты и не электролиты записываем полностью в виде молекул (вода, газы оксиды, осадки, комплексные ионы, простые вещества);

• удобно уравнивать реакции с участием органических веществ.

Правила уравнивания в различных средах:

Кислая среда

 

Рассмотрим реакцию из примера 4:

 

Na₂SO₃ + KM n O₄ + H₂SO₄ à MnSO₄ +K₂SO₄ + Na ₂ SO ₄ +H ₂O

 

Сульфит натрия выступает в качестве восстановителя, перманганат калия выступает в качестве окислителя (смотри классификацию окислителей и восстановителей); оба эти соединения - сильные электролиты.

 

Записываем полуреакции с ионами, в составе которых есть элементы окислители и восстановители:

SO₃^-2 à SO₄^2-

MnO₄^- à Mn²⁺

 

В одном из ионов в каждой полуреакции присутствует избыток атомов кислорода, а в другом (в противоположной части уравнения) – атомов кислорода меньше.

Так в первой полуреакции кислорода больше на 1 атом справа, а во второй полуреакции кислорода больше слева на 4 атома.

В стороне с меньшим числом атомов «О» добавляем молекулы воды в количестве, равном разнице числа атомов кислорода:

 

SO₃^-2 + H₂O à SO₄^2-

(уравняли число атомов «О»)

MnO₄^- à Mn²⁺ + 4H₂O

 

В стороне с большим числом атомов кислорода записываем катионы водорода количеством, равным числу атомов водорода в молекулах воды (если нет «Н» в других частицах):

 

SO₃^-2 + H₂O à SO₄^2- + 2 H⁺

(уравняли число атомов «Н»)

MnO₄^- +8 H⁺ à Mn²⁺ + 4H₂O

Подсчитываем общее число зарядов слева и справа:

 

SO₃^-2 + H₂O à SO₄^2- + 2 H⁺

-2 + 0 = -2 -2 + (+2) = 0

 

MnO₄^- + 8 H⁺ à Mn²⁺ + 4H₂O

-1 + (+8) = +7 +2 + 0 = +2

 

В левой части записать такое количество электронов, которое уходит от восстановителя и присоединяется к окислителю:

 

SO₃^-2 + H₂O - 2ē à SO₄^2- + 2 H⁺

-2 + 0 = -2 -2 + (+2) = 0 (от-2 до 0 ушли 2 ē)

 

MnO₄^- + 8 H⁺ + 5ē à Mn²⁺ + 4H₂O

-1 + (+8) = +7 +2 + 0 = +2 (от +7 до +2 пришли 5 ē)

Далее, как и в методе электронного баланса рассчитываем значение наименьшего общего кратного и значения дополнительных множителей:

 

SO₃^-2 + H₂O - 2ē à SO₄^2- + 2 H⁺ 5 восст-ль, окисление

MnO₄^- +8 H⁺ + 5ē à Mn²⁺ + 4H₂O 2 ок-ль, восстановление

 

Суммируем левую и правую части, умножая число частиц на дополнительные множители:

 

5 SO₃^-2 +5 H₂O + 2MnO₄^- +16 H⁺ ----à5 SO₄^2- +10H⁺ +2 Mn²⁺ + 8H₂O

 

и уничтожаем в левой и правой частях одинаковые частицы:

5 SO₃^-2 +5 H₂O + 2MnO₄^- +16 H⁺ ----à5 SO₄^2- +10H⁺ +2 Mn²⁺ + 8H₂O

6 3

Проверяем суммарные заряды слева и справа:

 

5 SO₃^-2 + 2MnO₄^- +6 H⁺ à5 SO₄^2- + 2 Mn²⁺ + 3H₂O

- 10 + (-2) + (+6) = -6 -10 + (+4) + 0 = -6,

Вывод: баланс составлен правильно.

Переносим коэффициенты к соответствующим молекулам (в том числе к молекулам воды и серной кислоты: это 1-ое преимущество перед методом электронного баланса):

 

5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ à 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ +2MnSO₄ +3H₂O

 

Затем проверяем количества атомов калия (К): здесь уже в наличии равенство: 2К = К₂

Для большей уверенности просчитываем баланс по атомам серы

(можно не делать в этом случае).

Проверяем равенство атомов кислорода: 35 = 35

 

Фактически, запись всего процесса уравнивания должна выглядеть короче, так как большинство действий проводим устно и записываем у одних и тех же полуреакций:

 

5Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ à 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ +2MnSO₄ +3H₂O

 

SO₃^-2 + H₂O - 2ē à SO₄^2- + 2 H⁺ 5 восст-ль, окисление

MnO₄^- +8 H⁺ + 5ē à Mn²⁺ + 4H₂O 2 ок-ль, восстановление

5 SO₃^-2 +5 H₂O + 2MnO₄^- +16 H⁺ à 5 SO₄^2- +10H⁺ +2 Mn²⁺ + 8H₂O

6 3

- 10 + (-2) + (+6) = -6 -10 + (+4) +0 = -6,

Реально процесс, протекающий в ОВР в кислой среде сопровождается освобождением избыточного кислорода в форма О^2- и связыванием каждой такой частицы двумя катионами водорода 2Н⁺ в воду (смотри сводную таблицу ниже)

 

Щелочная среда

 

Na₂SO₄ + KM n O₄ + NaOH à K ₂M n O₄ +Na₂ MnO₄ +Na ₂ SO ₄+H₂O

Сульфит натрия выступает в качестве восстановителя;

Перманганат калия выступает в качестве окислителя.

 

Записываем полуреакции с ионами, в составе которых есть элементы окислители и восстановители:

SO₃^-2 à SO₄^2-

MnO₄^- à MnО^2-

 

В первой полуреакции атомов кислорода больше на 1 атом справа, а во второй полуреакции количества кислорода одинаковое.

В стороне с меньшим числом атомов «О» добавляем гидроксид-ионы в количестве в два раза большем от разницы атомов кислорода:

 

 

SO₃^-2 + 2ОН^- à SO₄^2-

(уравняли число атомов «О»)

MnO₄^- à MnО^2-

 

В стороне с большим числом атомов кислорода (SO₄^2-) записываем молекулы воды, в количестве, равном разнице атомов кислорода:

 

SO₃^2- + 2 OH ^- à S O₄^2- + H₂O

(уравняли число атомов «Н»)

MnO₄^- à MnO₄^2--

Подсчитываем общее число зарядов слева и справа:

 

SO₃^-2 + 2OН^- à SO₄^2- + H₂O

-2 + (-2) = -4 -2 + 0 = -2

 

MnO₄^- à MnО^2-

-1 -2

 

В левой части записать такое количество электронов, которое уходит от восстановителя и присоединяется к окислителю:

 

SO₃^-2 + 2OН^- -2 ē à SO₄^2- + H₂O

-2 + (-2) = -4-2 + 0 = -2

 

MnO₄^- + 1 ē à MnО^2-

-1 -2

Рассчитиываем НОК и дополнительные множители:

 

SO₃^-2 + 2OН^- -2 ē à SO₄^2- + H₂O 1 восст-ль, окисление

MnO₄^- + 1 ē à MnО^2- 2 ок-ль, восстановление

 

Суммируем левую и правую части, умножая число частиц на дополнительные множители:

 

SO₃^2- + 2OH^- +2 MnO₄^-- + à SO₄^2- + H₂O + 2 MnO₄^2--

 

(2-)+ (2-) + (2-) = 6- (2^-) + 0 + (4-) = 6-

 

Баланс верен, так как -6 = -6

 

 

Переносим коэффициенты к соответствующим молекулам (в том числе к молекулам воды и щелочи):

 

Na₂SO₃ + 2 KM n O₄ + 2 NaOH à K₂M n O₄ +Na₂ MnO₄ +Na ₂ SO ₄+H₂O

 

Проверяем: выполняется ли баланс по атомам. Баланс выполняется. Уравнение составлено верно.

 

Нейтральная среда

 

Для уравнивания реакции, протекающей в нейтральной среде можно использовать молекулы водорода, гидроксид-анионы и катионы водорода.

Если в полуреакции избыток атомов кислорода находится в правой части, то составляем ее по правилам уравнивания в кислой среде (используем Н₂О и Н⁺).

Если избыток атомов кислорода находится в левой части, - то по правилам уравнивания в щелочной среде.

Возьмем пример превращения того же сульфита натрия под действием перманганата калия в нейтральной среде (то есть, задано присутствие воды):

 

Na₂SO₃ + KM n O₄ + H₂O à MnO₂ + Na ₂ SO ₄ + КОН

В этом примере примечательно то, что, начиная проводить реакцию в нейтральной среде, получаем щелочную среду. Вообще, часто мы даже можем не знать некоторые не основные продукты той или иной реакции, но с помощью данного метода уравнивания эти вещества могут быть получены (выведены) в процессе составления полуреакций. Также здесь интересен момент выведения определенного количества молекул воды, и взаимного уничтожения их слева и справа.

Давайте представим, что мы не знаем, что в результате получится гидроксид калия:

 

Na₂SO₃ + KM n O₄ + H₂O à MnO₂ + Na ₂ SO ₄ + …… (КОН)

SO₃^-2 + H₂O -2 ē à SO₄^2- + 2 H⁺ 3 в-ль, ок-ие (как кисл. ср.)

MnO₄^- + 2H₂O + 3 ē à MnO₂ + 4 OH^- 2 ок-ль, в-ие (как щелоч. ср.)

 

______________________________________________________

3SO₃^2- + 3H ₂O +2 MnO₄^- + 4H₂O à 3SO₄^2- + 6 H⁺ +2 MnO₂ + 8 OH^-

6 OH^- + 2 OH^-

7 H₂O 6H₂O u 2 OH^—

3SO₃^2- +2 MnO₄^-- +H₂O à 3SO₄^2- +2 MnO₂ + 2 OH^—

Как видно из суммарного ионного уравнения:

- слева 3 и 4 молекулы воды дают в суме 7 молекул;

- справа 6 катионов водорода и 6 гидроксид-анионов образуют 6 молекул воды;

- справа остаются свободными 2 гидроксид-аниона;

- слева и справа уничтожаем по 6 молекул воды;

- слева остается 1 молекула воды, а справа 2 гидроксид-аниона.

 

Подпишем недостающие ионы с противоположными знаками, и получим полное ионное уравнение:

 

6 Na⁺ + 3SO₃^2- + 2 К⁺ + 2 MnO₄^- +H₂O à6 Na⁺ + 3SO₄^2- +2 MnO₂ + 2 К⁺ + 2OH^—

 

Молекулярное уравнение будет выглядеть:

 

3Na₂SO₃ + 2KM n O₄ + H₂O à 2 MnO₂ + 3 Na ₂ SO ₄ + 2КОН

 

По количеству атомов кислорода (18=18) делаем вывод: уравнение составлено правильно.

 

Правила уравнивания

 

В левой части уравнения	среда	добавляем в левую часть	добавляем в правую часть
Избыток кислорода	кислая	2nН+	nН2О
щелочная или нейтральная	nН2О	2n ОН-
Недостаток кислорода	кислая или нейтральная	nН2О	2nН+
щелочная	2n ОН-	nН2О

 

n - избыток атомов кислорода

 

Алгоритм действий при уравнивании

 

1) выяснить, что в реакции является окислителем и восстановителем;

2) для сильных электролитов выписать ионы - окислители и восстановители и продукты реакции; осадки, газы, простые вещества, оксиды и другие слабые электролиты и не электролиты записываем целиком;

3) выполняем баланс по атомам;

4) используя правила уравнивания в соответствующей среде составляем уравнение.

 

 

6. ПРЕВРАЩЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ИОНОВ И ВЕЩЕСТВ В ОВР В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ.

 

Один и тот же ион или вещество в зависимости от сред, в которой протекает реакция, может претерпевать превращения различной степени глубины. Так например, перманганат-ион наибольшее количество электронов принимает в кислой среде, то есть, превращения в этом случае более глубокие, чем в нейтральной и щелочной среде.

Необходимо знать превращения и таких соединений, как дихромат-аниона и молекул пероксида водорода.

Превращение перманганат-аниона

+OH^- (+1ē) +6

MnO₄^2- манганат –зеленого цвета

анион

+7 +H₂O (+3ē) +4

MnO₄^- MnO₂ оксид марганца (+4) - черного цвета

 

+Н⁺ (+5ē)

Mn²⁺ катион марганца (+2) бесцветный

Чаще реакции протекают в кислой среде и применяются они, например, в методе перманганатометрии в аналитической химии. Ниже приводится схема превращений перманганата калия под действием различных восстановителей в кислой среде. В ней так же приводятся и другие продукты, которые получаются наряду с основным веществом.

 

Cхема превращений перманганата калия в кислой среде:

 

Основной продукт восстановления Кислота Восстановитель Продукт окисления

 

MnCl₂ HCl HCl à Cl₂

H₂SO₄ H₂O₂ à O₂

H₂SO₄

KMnO₄ KI à I₂ + H₂O

H₂SO₄ Na₂SO₃à Na₂SO₄

 

MnSO₄ H₂SO₄ FeSO₄ à Fe₂(SO₄)₃

 

H₂SO₄ H₂C₂O₄ à CO₂

 

 

 

Превращение ионов хрома:

 

Окисление (-3ē)

 

Восстановление (-3ē)

 

Степень окисления: +3 +6

 

Кислая среда: Cr³⁺ Сr₂O₇^2-

катион хрома +3 (зеленый) дихромат-анион (оранжевый)

 

Щелочная среда: CrO₂^- CrO₄^2-

метахромит-анион (б/цв.) хромат-анион (желтый)

 

Cхема превращений дихромата калия в кислой среде:

 

Основной продукт восстановления Кислота Восстановитель Продукт окисления

 

 

CrCl₃ HCl HCl à Cl₂

H₂SO₄ H₂S à S

K₂Cr₂O₇ H₂SO₄ KI à I₂ + H₂O

H₂SO₄ Na₂SO₃à Na₂SO₄

 

Cr₂(SO₄)₃ H₂SO₄ FeSO₄ à Fe₂(SO₄)₃

 

Превращение пероксида водорода:

 

-1 Н⁺ -2

H₂O₂ à H₂O или

 

-1 OH^- -2

H₂O₂ à ОH^- в этих случаях пероксид водорода –окислитель

(2 атома «О» + 2ē)

 

-1 Н⁺ 0

H₂O₂ à O₂ здесь пероксид водорода восстановитель

(2 атома «О» - 2ē)

 

 

7. ВЫЧИСЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТА ВЕЩЕСТВА В ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЯХ

а) Эквивалент – это условная или реальная частица, которая в данной химической реакции эквивалентна 1 е –ну, или 1 протону, или одному одновалентному катиону (способна замещать или присоединять 1 грамм водорода).

Эквивалент – есть 1/z* часть частицы (молекулы, атома). Z* - это число эвивалентности.

Если Z* = 1, то эквивалент идентичен самой частице (реальная частица).

Если Z* = 2,3,4 и т.д., то эквивалент идентичен какой-то части молекулы или атома (условная частица - 1/ z*).

У окислителей и восстановителей Z^* будет равно числу принятых или отданных электронов. Например, для процесса: Mn⁺⁷ +5e à Mn² Z^* = 5. От молекулы КMnO₄ эквавалентной одному электрону будет только 1/5 часть.

 

б) Количество вещества эквивалента: ν _1/Z* = Z^*.ν_x (число эквивалентности - z, количество вещества ν)

Пример: Рассчитать количество вещества эквивалента ν _1/Z* для 2-х моль KMnO₄ при превращении: MnO₄^- +8 H⁺ +5е à Mn²⁺ + 4H₂O

 

Z^* = 5

 

Дано: Решение:

 

ν = 2 моль ν _1/Z* = Z^*.v_x = 5.2 = 10 моль – экв.

ν _1/Z* =?

Это значит, что в 1 моль перманганата калия содержится 5 условных частиц, эквивалентных одному электрону, а в двух молях 10 условных частиц.

M_x

в) Молярная масса эквивалента: M _1/Z^* = (г/моль, кг/кмоль)

Z^*

Пример: Рассчитать молярную массу эквивалента KBrO₃ в реакции:

 

KBrO₃ + 6KI + 6HCl à KBr + 6KCl + 3I₂ + 3 H₂O

Дано: Решение:

 

BrO₃ ^- + 6H⁺ +6e àBr^- + 3 H₂O

 

Z^* = 6

 

M KBrO₃ = 167 г/моль M KBrO₃ 167

M _1/Z^* = ------------- = ----------- = 27,83 г/моль

Z^* 6

M _1/Z^* =?

 

Это значит, что молярная масса условной частицы, эквивалентной одному электрону в данном процессе в 6 раз меньше молярной массы реальной частицы - одного моль вещества.

 

г) Молярная концентрация эквивалента

 

С _1/Z* - это число моль - эквивалентных масс, содержащихся в 1 дм³

(1 л) раствора.

ν _1/Z*

С _1/Z* = ------------

V

 

 

m

т.к. ν _1/Z* = -------, то

M _1/Z^*

 

 

m

С _1/Z* = -----------

M _1/Z^*. V

 

 

Так как ν _1/Z* = Z*. ν, то

 

Z*. ν

С _1/Z* = ---------------- = Z* ∙ C; С _1/Z* = Z* ∙ C

V

 

Это значит, что молярная концентрация эквивалента больше молярной концентрации в Z* раз (условных «дробных» частиц в одном и том же объеме больше, чем целых реальных частиц одного и того же количества вещества в данном объеме раствора).

Для расчетов используется также обратная величина числу эквивалентов f - фактор эквивалентности. Эта величина показывает часть от реальной частицы, которая эквивалентна одному электрону.

 

f = 1/ Z*

 

Так, для КMnO₄ в ОВР при переходе к Mn²⁺ f = 1/ 5.

Соответственно при расчете всех выше перечисленных величин (молярной массы эквивалента и др.) в формулах f нужно поставить в дроби в противоположную сторону, от Z*.

 

Примеры расчета числа эквивалентов веществ в некоторых ОВР

При расчете будем пользоваться следующим алгоритмом:

1. Запишем полуреакцию, в которой участвует необходимое для расчета вещество или его ионы;

2. Рассчитаем количество переходящих электронов;

3. Число электронов и будет равняться числу эквивалентов Z*;

4. Если требует задача, то рассчитать по формулам величины: количества эквивалентов вещества, молярной массы эквивалента вещества, молярной концентрации эквивалента вещества.

 

Пример 1. Рассчитать число экваивалентов для пероксида водорода в

реакции:

 

5H₂O₂ + KM n O₄ + 3 H₂SO₄ à 2 MnSO₄ +K₂SO₄ + О₂ +8H ₂O

Ответ.

1. Записываем полуреакцию в любом из двух видов:

 

2О^- à O₂

 

H₂O₂ à O₂⁰ + 2 H⁺

 

2. Подставляем количество ушедших электронов:

 

2О^- - 2 е à O₂

 

H₂O₂ - 2 е à O₂⁰ + 2 H⁺

 

3. Число эквивалентов Z* = 2, фактор эквивалентности f = 1/ 2

 

 

Пример 2. Рассчитать число экваивалентов для тиосульфата натрия в

реакции:

 

2 Na₂S ₂O₃ + I₂ à 2 NaI + Na₂S ₄O ₆

 

Ответ: в этом случае расчет лучше производить, используя ионно-электронный метод.

Составляем уравнение полуреакции:

 

2 S₂O₃^2- -2e à S₄O₆^2-

Обратите внимание на то, что два тиосульфат-аниона отдают 2 электрона и эти два аниона входят в состав двух молекул вещества. Таким образом, на один электрон приходится одна молекула тиосульфата натрия. Число Z* (Na₂S ₂O₃ ) = 1.

 

 

Задание 1.

Рассчитайте число эквивалентов и фактор эквивалентности для йода в примере 2.

 

Задание 2.

 

Рассчитайте число эквивалентов и количество вещества эквивалентов для восстановителя в реакции а) на странице 3. Масса восстановителя равна 18 граммам. (подсказка: сначала рассчитайте обычное количество вещества.).

 

Задание 3.

 

Рассчитайте число эквивалентов и молярную массу эквивалента для окислителя в реакции г) на странице 3.

 

Задание 4.

 

Рассчитайте число эквивалентов и молярную концентрацию эквивалента для окислителя в реакции д) на странице 4. Масса окислителя равна 8,35 граммам.

 

Литература

1. Е.В.Барковский, С.В.Ткачев. Аналитическая химия. Минск., «Вышэйшая школа», 2004.

2. Л.М.Пустовалова, И.Е. Никанорова. Неорганическая химия. Ростов-на-Дону. «ФЕНИКС», 2005.

3. Вершинин В. И., «Аналитическая химия». Москва «Высшая школа», 2011, 448 с.

4. Харитонов Ю.А. «Аналитическая химия (аналитика)» в 2 кн. М.: Высшая школа, 2008 г, 559 с.

 

 

123	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: