Розв’язування типових задач – ОКИСНО-ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

Розділ 7. ОКИСНО-ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

§ 7.9. Розв’язування типових задач

Окисно-відновні реакції

Задача 1. Доберіть коефіцієнти у схемі окисно-відновної реакції:

S + HNO3 −> H2SO4 + NO.

Розв’язання. Коефіцієнти знаходимо методом електронного балансу. Зазначимо ступені окиснення елементів, які їх змінюють:

0 +5 +6 +2

S + HNO3 -> H2SO4 + NO,

S – відновник, a HNO3 – окисник.

Складаємо електронні рівняння і знаходимо коефіцієнти

біля окисника, відновника і продуктів їх відновлення й окиснення:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Підставимо знайдені коефіцієнти у схему реакції:

S+ 2HNO3 = H2SO4 + 2NO.

Перевіряємо правильність написання рівняння реакції. Число атомів кожного елемента у лівій частині рівняння дорівнює числу тих самих атомів у правій частині рівняння. Отже, рівняння складено правильно.

Задача 2. Складіть рівняння реакції відновлення Fе3O4 воднем.

Розв’язання. Записуємо схему процесу із зазначенням зміни

ступенів окиснення елементів:

+8/3 0 0 +1

Fe3O4 + Н2 −> Fe + Н2О.

Складаємо електронні рівняння:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Знайдені коефіцієнти підставляємо в схему процесу, замінюючи стрілку знаком рівності:

Fe3O4 + 4Н2 = 3Fe + 4Н2О.

Задача 3. Доберіть коефіцієнти у схемі окисно-відновної реакції:

KNO2 + К2Сr2О7 + H2SO4 ->КNО3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + Н2О.

Розв’язання 1. Знаходимо коефіцієнти методом електронного балансу. Записуємо схему реакції із зазначенням ступеня окиснення елементів, які його змінюють:

+3 +6 +5 +3

KNO2 + К2Сr2О7 + H2SO4 −> KNO3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + Н2O.

Тут KNO2 є відновником, а дихромат калію – окисником. Складаємо електронні рівняння, враховуючи, що 1 моль Cr2(SO4)3 і 1 моль К2Сr2О7 містять по 2 моль атомарного хрому:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Знайдені коефіцієнти біля відновника KNO2 і продукту його окиснення KNO3 та біля окисника К2СrO7 і продукту його відновлення Cr2(SO4)3 підставляємо у схему реакції:

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

Решту коефіцієнтів знаходимо у послідовності: сіль (K2SO4), кислота (H2SO4), вода. Остаточне рівняння реакції матиме вигляд:

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

Для перевірки правильності коефіцієнтів підраховуємо число атомів оксигену в лівій і правій частинах рівняння. У лівій частині: 3∙2 + 7 + 4∙ 4 = 29. У правій частині: 3 ∙ 3 + + 3 4 + 4 + 4 = 29.

Розв’язання 2. Знаходимо коефіцієнти методом напівреакцій (факультативно) .

У першій напівреакції відновник – нітрит-іон NO2 – переходить в нітрат-іон NO-3, приймаючи один атом оксигену від молекули води:

NO-2 + Н2O -> NO-3 + 2Н+.

Зрівнявши число зарядів, дістанемо:

NO-2 + Н2О – 2е – −> NO-3 + 2Н+.

У другій напівреакції окисник – іон Сr2O2-7 – переходить в іон Сr3+, тобто 7 атомів оксигену в кислому середовищі зв’язуються з 14 іонами гідрогену з утворенням води:

Сr2O2-7 + 14Н+ -> 2Сr3+ + 7Н2O.

Зрівнявши число зарядів, дістанемо:

Сr2O2-7 + 14Н+ + 6е – = 2Сr3+ + 7Н2О.

Складаємо сумарне іонне рівняння реакції:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

3NO-2 + 3H2O + Cr2O2-7 + 14H+ = 3NO-3 + 6Н+ + 2Cr3+ + 7Н2O.

Скоротивши однакове число іонів гідрогену і молекул води у лівій і правій частинах рівняння, дістанемо:

3NO-2 + Сr2O2-7 + 8Н+ = 3NO-3 + 2Cr3+ + 4Н2О.

Додаючи однакове число іонів до лівої і правої частин рівняння, дістаємо рівняння реакції в молекулярній формі:

3NO-2 + Сr2О2-7 + 8Н+ = 3NO-3 + 2Сr3+ + 4Н2O;

ЗК+ + 2К+ + 4SO2- = 3К+ + 3SO2-4+ 2К+ + SO2-4;

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

Задача 4. Доберіть коефіцієнти в окисно-відновній реакції за участю органічних сполук:

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

Розв’язання. Складаємо схему реакції із зазначенням ступенів окиснення атомів у молекулах відновника, окисника і продуктів їх відновлення й окиснення:

-2 +7 +2 +2

СН3ОН + KMnO4 + H2SO4 -> НСООН + MnSO4.

Звідси видно, що СН3ОН – відновник, а КМnO4 – окисник. Складаємо електронні рівняння:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

І підставляємо коефіцієнти у схему реакції:

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

Решту коефіцієнтів знаходимо добором у звичайній послідовності: K2SO4, H2SO4, Н2О. Остаточне рівняння реакції матиме вигляд:

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

Електроліз розплавів і розчинів

Задача 1. Складіть схему електролізу розплавів: а) гідроксиду калію; б) сульфату натрію.

Розв’язання, а) У розплаві гідроксид калію дисоціює на іони:

КОН = К+ + ОН-.

Під час проходження крізь розплав електричного струму до негативного електрода (катода) будуть переходити катіони К і приєднувати електрони (відновлюватися). До позитивного електрода (анода) будуть надходити аніони OН – і віддавати електрони (окиснюватися). Отже, схема процесу набуває такого вигляду:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Або

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Б) Сульфат натрію в розплаві дисоціює на іони: Na2SO4 ⇆2Na+ + SO2-4 .

Схема процесу електролізу:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Задача 2. Складіть схеми електролізу водних розчинів: а) сульфату купруму(ІІ); б) хлориду магнію; в) сульфату калію. В усіх випадках електроліз проводиться з використанням вугільних електродів.

Розв’язання. а) У розчині сульфат купруму(ІІ) дисоціює на іони:

CuSO4 ⇆Cu2+ + SO2-4.

Іони купруму(ІІ) можуть відновлюватися на катоді у водному розчині. Сульфат-іони у водному розчині не окиснюються, тому на аноді відбуватиметься окиснення води (див. § 7.7). Схема електролізу:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Або

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Б) Дисоціація хлориду магнію у водному розчині:

МgСl2 ⇆Мg2+ + 2Сl-.

Іони магнію не можуть відновлюватися у водному розчині (відбувається відновлення води), хлорид-іони – окиснюються (див. § 7.7). Схема електролізу:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Або

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

В) Дисоціація сульфату калію у водному розчині:

K2SO4 = 2К+ + SO2-4.

Іони калію і сульфат-іони не можуть розряджатися на електродах у водному розчині (див. § 7.7), отже, на катоді відбуватиметься відновлення, а на аноді – окиснення води. Схема електролізу:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Або, враховуючи, що 4Н+ + 4OН = 4Н2О (здійснюється при перемішуванні),

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Задача 3. Під час електролізу водного розчину гідроксиду калію з інертними електродами на катоді виділився гідроген об’ємом 11,2 л (нормальні умови). Розрахуйте об’єм кисню, який виділився при цьому на аноді.

Розв’язання 1. Записуємо рівняння електролізу, враховуючи, що на катоді відновлюється вода (катіони калію не відновлюються при електролізі водних розчинів), а на аноді окиснюються гідроксид-іони:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Або

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Визначаємо кількість речовини водню, що виділився:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Із рівняння реакції випливає, що

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ

Обчислюємо об’єм кисню, що виділився:

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

Розв’язання 2. Використовуємо наслідок із закону Авогадро, згідно з яким однакові кількості речовин різних газів за однакових умов займають однакові об’єми. Тому з рівняння електролізу (див. розв’язок 1) дістанемо:

 Розвязування типових задач   ОКИСНО ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ




Розв’язування типових задач – ОКИСНО-ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ЕЛЕКТРОЛІЗ