VI. 1. Окислительно-восстановительные реакции
Типовые задачи и их решение
1.Расставить коэффициенты методом электронного баланса в уравнении:
Н3АsО3 + КМnО4 + Н2SО4 → Н3АsО4 + МnSO4 + К2SO4 + Н2О.
Записать процессы окисления и восстановления. Определить окислитель и восстановитель
Решение.Напишем схему окислительно-восстановительной реакции, расставив степени окисления над всеми элементами:
Н3+Аs+3О3−2 + К+Мn+7О4−2 + Н2+S+6О4−2 → Н3+Аs+5О4−2 + Мn+2S+6О4−2 +
+ К2+S+6О4−2 + Н2+О−2
Из уравнения следует, что степень окисления мышьяка до реакции была +3, а после реакции стала +5; степень окисления марганца изменилась от +7 до +2. Отражаем это изменение степеней окисления в электронных уравнениях:
НОК
восстановитель: Аs+3 – 2е = Аs+5 5 (процесс окисления);
окислитель: Мn+7 + 5е = Мn+2 2 (процесс восстановления),
исходя из того, что окислитель принимает электроны, а восстановитель их отдает.
Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно общему числу электронов, принятых окислителем (электронный баланс). Найдя наименьшее общее кратное (НОК) между числами 2 и 5, определяем, что молекул восстановителя должно быть 5, а молекул окислителя – 2, т.е. находим соответствующие коэффициенты в уравнении реакции перед восстановителем, окислителем и продуктами окисления и восстановления.
Уравнение будет иметь вид:
5 Н3АsО3 + 2 КМnО4 + 3 Н2SО4 = 5 Н3АsО4 + 2 МnSO4 + К2SO4 + 3 Н2О.
2.Уравнять реакцию: KNO3 + Co(NO3)2 + Br2 → Co(NO3)3 + KBr. Указать окислитель и восстановитель. Указать направление протекания реакции при стандартных условиях, рассчитав DGо (298), пользуясь стандартными электродными потенциалами электрохимических систем, участвующих в реакции: Co2+ – е = Co3+, φо = 1,81 В;
Br2о + 2е = 2 Br−, φо = 1,07 В.
Решение.Расставляем степени окисления над элементами:
K+N+5O3−2 + Co2+(N+5O3−2)2 + Br2о → Co3+(N+5O3−2)3 + K+Br−.
Составляем электронные уравнения:
НОК
восстановитель: Co2+ – е = Co3+ 2 ; φо = 1,81 В;
окислитель: Br2о + 2е = 2 Br− 1 ; φо = 1,07 В.
Расставляем коэффициенты:
2KNO3 + 2Co(NO3)2 + Br2 = 2Co(NO3)3 + 2KBr.
Направление протекания реакции зависит от изменения энергии Гиббса реакции DGо (298):
DGо (298) = – z ∙ F ∙ εo,
где z – число отданных или принятых электронов; z = 2 (НОК);
F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль;
εo – напряжение (ЭДС) ОВР, В.
εo = φоокислителя – φовосстановителя = 1,07 – 1,81 = –0,74 В.
Подставляем в формулу:
DGо (298) = – 2 ∙ 96500 ∙ (–0,74) = 142820 Дж = 142,82 кДж,
т.к. DGо (298) > 0, то реакция в стандартных условиях протекает справа налево.
3.Установить направление возможного протекания реакции:
2KBr + PbO2 + 4HNO3 = Pb(NO3)2 + Br2 + 2KNO3 + 2H2O, если электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции равны:
Br2 + 2е = 2Br−, φо1 = 1,065 В;
PbO2 + 4Н+ + 2е = Pb2+ + 4Н2О, φо2 = 1,455 В.
Определить окислитель и восстановитель.
Решение.Окислителем всегда служит электрохимическая система с более высоким значением электродного потенциала. Поскольку в данной реакции φо2 значительно больше, чем φо1, то практически при любых концентрациях взаимодействующих веществ бромид-ионы будут служит восстановителем и окисляться диоксидом свинца.
Реакция будет самопроизвольно протекать слева направо, т.е.
восстановитель: 2Br− – 2е = Br2,
окислитель: PbO2 + 4Н+ + 2е = Pb2+ + 4Н2О.
Контрольные задачи
На основе электронных уравнений подобрать коэффициенты в реакциях. Указать окислитель и восстановитель.
1. КМnO4 + НNO2 + Н2SO4 → МnSO4 + HNO3 + K2SO4 + H2O.
2. Р + НNO3 + H2O → H3PO4 + NO.
3. FeSO4 + KМnO4 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + MnSO4 + K2SO4 + H2O.
4. HСlO4 + H2SO3 → HCl + H2SO4.
5. К2Сr2О7 + KI + H2SO4 → Cr2(SO4)3 + I2 + K2SO4 + H2O.
6. AsH3 + HNO3 → H3AsO4 + NO2 + H2O.
7. C + K2Cr2O7 + H2SO4 → CO2 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O.
8. H2S + K2Cr2O7 + H2SO4 → S + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O.
9. S + КМnO4 + H2SO4 → SO2 + K2SO4 + MnSO4 + H2O.
10. H2S + KМnO4 + H2SO4 → S + K2SO4 + MnSO4 + H2O.
11. KI + KМnO4 + H2SO4 → I2 + K2SO4 + MnSO4 + H2O.
12. Cu + H2SO4 (конц.) → CuSO4 + SO2 + H2O.
13. C + H2SO4 (конц.) → CO2 + SO2 + H2O.
14. HI + H2SO4 (конц.) → I2 + SO2 + H2O.
15. Fe(OH)2 + H2O + O2 → Fe(OH)3.
16. SO2 + NO2 + H2O → H2SO4 + NO.
17. FeSO4 + KСlO3 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + KCl + H2O.
18. H2S + HCl → H2SO4 + HCl.
19. CrCl3 + Br2 + KOH → K2CrO4 + KBr + KCl + H2O.
20. Mg + HNO3(разб.) → Mg(NO3)2 + N2O + H2O.
21.Уравнять реакцию: Cu + HNO3 → Cu(NO3)2 + NO2 + H2O. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны:
Cu2+ + 2е = Cuо, φо = 0,34 В;
2Н+ + NO3− + е = H2O + NO2 , φо = 0,80 В.
22.Уравнять реакцию: K2Cr2O7 + KCl + HNO3 → KNO3 + Cr(NO3)3 +
+ Cl2 + H2O. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны: Cr2O72− + 14H+ + 6е = 2Cr3+ + 7H2O, φо = 1,33 В;
Cl2 + 2е = 2Cl− , φо = 1,36 В.
23.Уравнять реакцию: K2Cr2O7 + KBr + HNO3 → KNO3 + Cr(NO3)3 + + Br2 + H2O. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны: Cr2O72− + 14H+ + 6е = 2Cr3+ + 7H2O, φо = 1,33 В;
Br2 + 2е = 2Br− , φо = 1,07 В.
24.Уравнять реакцию: Fe(NO3)2 + NaNO3 + Cl2 → Fe(NO3)3 + NaCl. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны:
Fe3+ + e = Fe2+, φо = 0,77 В; Cl2 + 2е = 2Cl−, φо = 1,36 В.
25.Уравнять реакцию: KMnO4 + H2SO4 + KI → K2SO4 + MnSO4 + I2 + + H2O. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны: MnO4− + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4 H2O, φо = 1,51 В;
I2 + 2е = 2I−, φо = 0,54 В.
26.Уравнять реакцию: FeSO4 + KClO3 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + KCl + + H2O. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны: Fe3+ + e = Fe2+, φо = 0,77 В;
2ClO3− + 6H+ + 6e = Cl− + 3H2O, φо = = 1,45 В.
27.Уравнять реакцию: P + HNO3 + H2O → H3PO4 + NO. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны:
P + 4H2O – 5e = H3PO4 + 5H+, φо = –0,41 В;
NO3− + 2H2O + 3e = NO + 4OH−, φо = –0,14 В.
28.Уравнять реакцию: KMnO4 + HNO2 + H2SO4 → MnSO4 + HNO3 + + K2SO4 + H2O. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны: MnO4− + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O, φо = 1,51 В;
NO2− + 2OH− – 2e = NO3− + H2O, φо = 0,01 В.
29.Уравнять реакцию: FeSO4 + KMnO4 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + MnSO4 + + K2SO4 + H2O. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны: Fe2+ – e = Fe3+, φо = 0,77 В;
MnO4− + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O, φо = 1,51 В.
30.Уравнять реакцию: H2S + KMnO4 + H2SO4 → S + MnSO4 + K2SO4 + + H2O. Определить окислитель и восстановитель. Установить направление возможного протекания реакции, рассчитав DGо (298), если стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции, равны: S2− – 2e = S, φо = –0,48 В;
MnO4− + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O, φо = 1,51 В.