Восстановительных реакций

1. Определите возможные продукты реакции при нагревании серы с концентрированным раствором гидроксида калия. Составьте соответствующее уравнение окислительно-восстановительного процесса.

Решение. Гидроксид калия КОН не содержит атомов или ионов, способных к перераспределению электронов, так как степени окисления калия (+1), кислорода (-2) и водорода (+1) в КОН являются наиболее характерными для этих элементов.

Свободная сера, наоборот, находясь в промежуточной степени окисления (0), может проявлять и окислительные и восстановительные свойства. Будучи восстановителем, сера отдаст часть электронов (окисление), превратившись в частицу с большей степенью окисления (следующая после 0 это n_S = +4 в анионе SO₃^2-).

Таким образом, схема процесса окисления такова: S⁰ → SO₃^2-. И поскольку переход осуществляется в условиях щелочной среды, то необходимый кислород атом серы отбирает у гидроксильной группы ОН^– (ион ОН^– богаче кислородом, чем молекула воды), передавая высвобождающиеся протоны молекулам воды. Согласно правилам уравнивания молекулярно-ионных уравнений, число ОН^–- групп вдвое превышает число недостающих атомов кислорода и тогда схема полу реакции будет иметь вид:

S⁰ + 6ОН^– → SO₃^2– + 3Н₂О.

Заряд левой части равен -6, а правой части -2, значит, система потеряла 4ē (-6 – (-2) = -4). Запишем уравнение полу реакции процесса окисления

вос-ль S⁰ + 6ОН^– - 4ē = SO₃^2– + 3Н₂О ок-ние.

Выступая в роли окислителя, сера присоединит электроны, восстановившись до состояния S^2– по схеме S⁰ → S^2–, а с учетом числа электронов (0 – (-2) = +2) получим уравнение полу реакции процесса восстановления:

ок-ль S⁰ + 2ē = S^2–вос-ние.

Учитывая, что балансирующие коэффициенты равны 1 для процесса окисления и 2 для процесса восстановления, окончательно имеем:

S + 6ОН^– - 4ē = SO₃^2– + 3Н₂О –4 4 1

S + 2ē = S^2– +2 2

S + 2S + 6OH^– = SO₃^2– + 2S^2– + 3H₂O

или 3S + 6KOH = K₂SO₃ + 2K₂S + 3H₂O.

Ответ: продуктами реакции являются соли калия сульфит и сульфат, образующиеся по уравнению 3S + 6KOH = K₂SO₃ + 2K₂S + 3H₂O. Подобного рода реакция, в которой окислителем и восстановителем выступает одно и то же вещество, называется реакцией самоокисления-самовосстановления или диспропорционирования.

2. Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции между растворами натрия сульфита Na₂SO₃ и калия бихромата K₂Cr₂O₇, протекающей в присутствии серной кислоты H₂SO₄.

Решение. В натрия сульфите степень окисления серы +4 (промежуточная), а в калия бихромате степень окисления хрома +6 (наивысшая). Следовательно, окислителем в этом процессе выступает K₂Cr₂O₇, а восстановителем - Na₂SO₃. Поскольку реакция протекает в растворе, то обмен электронами осуществляют ионы. В кислотной среде анион-восстановитель SO₃^2– окисляется до высшей степени окисления серы +6, превращаясь в анион SO₄^2–, а анион-окислитель Cr₂O₇^2– восстанавливается до наименьшей степени окисления хрома +3, превращаясь в катион Cr³⁺. Высвободившиеся катионы калия К⁺, не участвующие в окислительно-восстановительном процессе, свяжутся анионами серной кислоты, образуя K₂SO₄, а катионы водорода Н⁺ связываются в молекулы слабого электролита – воды Н₂О.

Сказанное позволяет нам составить схему окислительно-восстановительного процесса:

Na₂SO₃ + K₂Cr₂O₇ + Н₂SO₄ → Na₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

Теперь перепишем схему уравнения в ионном виде, соблюдая определённые правила (газообразные, труднорастворимые и слабо диссоциирующие вещества оставлять в молекулярном виде), и подчеркнём те ионы, которые изменили степень окисления:

2Na⁺ + SO₃ ^2– + 2K⁺ + Cr₂O₇ ^2– + 2H⁺ + SO₄^2– → 2Cr³⁺ + 3SO₄^2– + 2Na⁺ + SO₄ ^2– + 2K⁺ + SO₄^2–

+ H₂O.

Для выбранных пар ионов составим схемы полу реакций отдельно для процессов окисления и восстановления:

SO₃^2– → SO₄^2–

Cr₂O₇^2–→2Cr³⁺.

Дополним уравнения полу реакций, дописывая в той их части, где недостает атомов кислорода, соответствующее количество молекул воды, а в противоположной части – вдвое большее число протонов (помним, что среда кислотная). Получим:

SO₃^2– + Н₂О → SO₄^2– + 2Н⁺

Cr₂O₇^2–+ 14Н⁺ → 2Cr³⁺ + 7Н₂О.

Для определения количества электронов, участвующих в окислительном и восстановительном процессах, подсчитаем величину заряда левой и правой части каждой полу реакции и сбалансируем её с помощью электронов. Получим:

Вос-ль SO₃^2– + Н₂О – 2ē = SO₄^2– + 2Н⁺ок-ние

Ок-ль Cr₂O₇^2–+ 14Н⁺ + 6ē = 2Cr³⁺ + 7Н₂О вос-ние.

Оба процесса происходят одновременно и число электронов, отданных восстановителем, равно числу ē, принятых окислителем. Ясно, что балансирующим коэффициентом для первого уравнения является 3, для второго – 1. Теперь суммируем уравнения полу реакций, с учетом балансирующих коэффициентов:

SO₃^2– + Н₂О – 2ē = SO₄^2– + 2Н⁺ –2 6 3

Cr₂O₇^2–+ 14Н⁺ + 6ē = 2Cr³⁺ + 7Н₂О +6 1

3SO₃^2– + 3Н₂О + Cr₂O₇^2–+ 14Н⁺ = 3SO₄^2– + 6Н⁺ + 2Cr³⁺ + 7Н₂О.

Сократим однородные члены в левой и правой части уравнения и получим ионно-молекулярное уравнение в окончательном виде:

3SO₃^2– + Cr₂O₇^2–+ 8Н⁺ = 3SO₄^2– + 2Cr³⁺ + 4Н₂О.

Полученные коэффициенты перенесём в исходную схему, превратив её в уравнение окислительно-восстановительной реакции:

3Na₂SO₃ + K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄= Cr₂(SO₄)₃ + 3Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 4H₂O.

3. Составьте уравнение реакции, протекающей при спекании оксида железа (3) с калия нитратом и калия гидроксидом по схеме:

Fe₂O₃ + KNO₃ + KOH → K₂FeO₄ + KNO₂ + H₂O.

Решение. Для уравнивания реакций, протекающих при спекании, сплавлении, обжиге и других высокотемпературных условиях, применяется метод электронного баланса. Для этого определяем степени окисления элементов – участников окислительно-восстановительного процесса и по характеру их изменения выявляем окислитель и восстановитель:

Fe₂⁺³O₃ + KN⁺⁵O₃ + KOH → K₂Fe⁺⁶O₄ + KN⁺³O₂ + H₂O

Fe⁺³ → Fe⁺⁶, степень окисления повысилась, значит, произошло окисление и оксид железа (3) – восстановитель; N⁺⁵ → N⁺³, степень окисления азота понизилась, значит, он восстановился, а нитрат калия – окислитель.

Теперь составляем уравнения электронного баланса:

Ок-ль N⁺⁵ + 2ē = N⁺³ +2 6 3 вос-ние

Вос-ль Fe⁺³ - 3ē = Fe⁺⁶ –3 2 ок-ние

3N⁺⁵ + 2Fe³⁺ = 3N⁺³ + 2Fe⁺⁶

Перенесём найденные коэффициенты в основное уравнение и подберем коэффициенты для остальных реагентов. Получим в окончательном виде:

Fe₂O₃ + 3KNO₃ + 4KOH= 2K₂FeO₄ + 3KNO₂ + 2H₂O.

4. Составьте уравнение реакции взаимодействия гидрида мышьяка (3) AsH₃ (арсина) с концентрированной азотной кислотой HNO₃, считая окисление восстановителя и восстановление окислителя предельно полными.

Решение. В гидриде мышьяка степень окисления мышьяка (+3) – промежуточная и степень окисления водорода (-1) – низшая, значит, в роли восстановителей в этом окислительно-восстановительном процессе участвуют оба элемента молекулы арсина. Полное окисление мышьяка достигается в анионе AsO₄^3-, где его степень окисления n_As = +5, а водорода – в катионе Н⁺ или в молекуле Н₂О, в которых n_H = +1.

В азотной кислоте степень окисления азота (+5) – высшая, следовательно, кислота – окислитель. Восстановление аниона NO₃^- до низшей степени окисления азота (-3) в катионе NH₄⁺ невозможно, так как в этом случае образуется новая окислительно-восстановительная пара с сильным окислителем AsO₄^3- и сильным восстановителем NH₄⁺, т.е. процесс пойдет в обратном направлении. Всего вероятней восстановление азотной кислоты НNO₃до промежуточной степени окисления азота n_N = 0 в молекуле N₂.

Составим схемы соответствующих полу реакций, помня о том, что арсин AsH₃ (как и другие гидриды) и концентрированная азотная кислота не подвергаются диссоциации:

AsH₃ → AsO₄^3- + H⁺

НNO₃ → N₂⁰ + Н₂О.

Поскольку реакция протекает в кислотной среде, для уравнивания числа элементов используются ионы Н⁺ и молекулы Н₂О. В первой полу реакции в её левой части необходимо дописать 4 молекулы воды, а в правой – перед катионом водорода поставить коэффициент 11. Во второй полу реакции сначала слева перед кислотой поставим коэффициент 2, чтобы уравнять число атомов азота, справа перед молекулой Н₂О поставим коэффициент 6, а слева – добавим 10 катионов Н⁺. Получим:

AsH₃ + 4Н₂О → AsO₄^3– + 11H⁺

2НNO₃ + 10Н⁺ → N₂⁰ + 6Н₂О.

После этого с помощью электронов уравняем заряды и получим готовые уравнения полуреакций:

Вос-ль AsH₃ + 4Н₂О – 8ē = AsO₄^3- + 11H⁺ ок-ние

Ок-ль 2НNO₃ + 10Н⁺ + 10ē = N₂⁰ + 6Н₂О вос-ние.

Наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов равно 40, и балансирующий коэффициент для первой полу реакции равен 5, а для второй – 4. Суммируем уравнения полу реакций, умножая их члены на соответствующие коэффициенты и сокращая однородные:

AsH₃ + 4Н₂О – 8ē = AsO₄^3– + 11H⁺ –8 40 5

2НNO₃ + 10Н⁺ + 10ē = N₂⁰ + 6Н₂О +10 4

5AsH₃ + 20Н₂О + 8НNO₃ + 40Н⁺ = 5AsO₄^3– + 55H⁺ + 4N₂⁰ + 24Н₂О;

далее

5AsH₃ + 8НNO₃ = 5AsO₄^3– + 15H⁺ + 4N₂⁰ + 4Н₂О;

и в окончательном виде

5AsH₃ + 8НNO₃ = 5Н₃AsO₄+ 4N₂⁰ + 4Н₂О;

5. Составьте уравнение реакции горения черного пороха, считая, что процесс горения протекает по схеме:

C + KNO₃ + S → CO₂ + N₂ + K₂S.

Решение. Поскольку реакция протекает между твердыми веществами, то наиболее эффективен для её уравнивания метод электронного баланса. Рассчитаем степени окисления элементов в простых и сложных веществах, участвующих в процессе:

C⁰ + KN⁺⁵O₃ + S⁰ → C⁺⁴O₂ + N₂⁰ + K₂S^-2.

Составляем схемы окислительного и восстановительного процессов, уравнивая количество атомов:

С⁰ → С⁺⁴

2N⁺⁵→ N₂⁰

S⁰ → S^2-.

Уравниваем заряды левой и правой части схем с помощью электронов и определяем характер процессов:

Вос-ль С⁰ - 4ē = С⁺⁴ок-ние

Ок-ль 2N⁺⁵ + 10ē = N₂⁰вос-ние

Ок-ль S⁰ + 2ē = S^2-вос-ние.

Полученные уравнения показывают, что в исходной окислительно-восстановительной системе присутствуют один восстановитель (графит) и два окислителя (калия нитрат и сера). Для соблюдения электронного баланса мы суммируем коэффициенты при электронах, принятых окислителями и находим для них и электронов восстановителя наименьшее общее кратное, это 12. Тогда балансирующим коэффициентом для графита является коэффициент 3, а для азота и серы – коэффициент 1. Теперь суммируем уравнения электронного баланса с учетом найденных коэффициентов:

С⁰ - 4ē = С⁺⁴ – 4 12 3

2N⁺⁵ + 10ē = N₂⁰ +12 1

S⁰ + 2ē = S^2- 1

3С⁰ + 2N⁺⁵ + S⁰ = 3C⁺⁴ + N₂⁰ + S^2-.

Перенесем найденные коэффициенты в заданную схему, превратив её в уравнение окислительно-восстановительного процесса горения черного пороха:

3C + 2KNO₃ + S = 3CO₂↑+ N₂↑+ K₂S.

Дата добавления: 2015-07-11