Окислительно-восстановительные реакции органических веществ Контрольная работа по общей химии 12. Органическое вещество в виде летучей жидкости массой 0,1437 г при 250 С и Р=99,2 кПа превращено в пар, занимающий объем 22,9 мл. Найдите молярную массу этого вещества. Решение: Уравнение состояния идеального газа (принимаем, что наш пар подчиняется этому уравнению) Клапейрона-Менделеева: где – давление газа, Па; – объем газа, м3 ; – число молей газа; – универсальная газовая постоянная; – абсолютная температура. При этом где – масса газа, г; – его молярная масса. или это 298,15 K. Тогда . Ответ: . 39. Сколько м3 пропена С3 Н6 сгорело, если в результате образовалось 50 кг паров воды, если t = 300 С, Р = 1,1атм? Решение: Уравнение реакции: в уравнении . Тогда использовав уравнение Клапейрона-Менделеева и ; ; Получим ; или это 303,15 K; ; Ответ: . 62. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Какие электроны этих атомов являются валентными? Решение: Элемент с порядковым номером 14 – кремний. Его электронная формула имеет вид: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Так как последний электрон находится на p-подуровне, то кремний относится к электронному p-семейству. Распределение электронов по квантовым ячейкам у атома кремния в нормальном состоянии: Валентные электроны для кремния – s- и p-электроны внешнего электронного уровня. Элемент с порядковым номером 40 – цирконий. Его электронная формула имеет вид: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d2 . Так как последний электрон находится на d-подуровне, то цирконий относится к электронному d-семейству. Распределение электронов по квантовым ячейкам у атома циркония в нормальном состоянии: Валентные электроны для циркония – d-электроны предвнешнего и s-электроны внешнего электронного уровней. Электронные и электронно-графические формулы элементов составлялись с учетом принципа Паули, правила Хунда и правила Клечковского. 87. Чем объясняется последовательное изменение окислительной способности свободных галогенов и восстановительной способности галогенид-ионов от фтора к йоду? Приведите примеры иллюстрирующих реакций. Решение: В ряду галогенов F2 - Cl2 - Br2 - I2 химическая активность и окислительная способность галогенов уменьшается, в связи с увеличением радиуса и уменьшением первого потенциала ионизации. Это можно проследить на примере реакции взаимодействия галогенов с водородом. Фтор взаимодействует с водородом с взрывом, выделяя при этом большое количество энергии. Хлор при обычных условиях очень медленно взаимодействует с водородом, но на прямом солнечном свету или при нагревании реакция идет также с взрывом. Реакция водорода и хлора протекает по цепному механизму, поэтому для нее необходимо инициирование (нагревание или освещение). Взаимодействие брома и йода с водородом происходит лишь при нагревании. Йод с водородом реагирует не полностью, т.к. йодоводород, образующийся при этом легко разлагается и равновесие сильно смещено в сторону исходных продуктов: Н2 + I2 <=> 2НI Свойства галогенов F2 Cl2 Br2 I2 Радиус, нм 0,072 0,099 0,114 0,133 Первый потенциал ионизации кДж/моль (атомов) 1682 1255 1142 1008 Сродство к электрону, кДж/моль 332,7 348,7 325 290 Относительная электроотрицательность (по Полингу) 4,0 3,01 2,8 2,6 Химическая активность галогенов от фтора к йоду уменьшается. Поэтому более активный галоген (имеющий наиболее высокое значение элетроотрицательности) вытесняет менее активный галоген из его соединений с металлами. Так, фтор вытесняет все другие галогены из их галогенидов, хлор – бром и иод, а бром – только иод: 2NаBr + С12 = 2NаС1 + Br2 2NаI + С12 = 2NаС1 + I2 2КI + Br2 = 2КBr + I2 2КBr + I2 ≠ Галогеноводородные кислоты (кроме HF) могут проявлять восстановительные свойства. Так как сродство к электрону (СЭ) в ряду галогенид-ионов уменьшается от Cl2 к I2 , то восстановительные свойства в ряду HCl ‒ HBr – HI увеличиваются: HCl + H2SO4 (конц. ) ≠ 2НBr + H2 SO4 (конц.) = Br2 + SО2 + 2H2 O 8НI + H2 SO4 (конц.) = 4I2 + H2 S + 4H2 O В связи с усилением восстановительных свойств галогеноводородов от НС1 к HI падает устойчивость водных растворов галогеноводородных кислот к воздействию кислорода воздуха. При хранении на воздухе концентрированных растворов иодоводорода происходит его окисление: 4HI + О2 = I2 + 2Н2 О При этом раствор иодоводородной кислоты постепенно буреет: HI + I2 = Н[I3 ] Более медленно протекает аналогичный процесс и водном растворе НBr Задания Подберите коэффициенты в схемах окислительно-восстановительных реакций. Укажите окислитель и восстановитель. 112. Реакции № 12, 37, 62 Решение: №12: 2Mn(NO3 )2 + 5NaBiO3 + 16HNO3 = 2HMnO4 + 5Bi(NO3 )3 + 5NaNO3 + 7H2 O Восстановитель: Mn(NO3 )2 Окислитель:NaBiO3 Окисление: Mn2+ + 4H2 O ‒ 5e- → MnO4 - + 8H+ 2 Восстановление: BiO3 - + 6H+ + 2e- → Bi3+ + 3H2 O 5 2Mn2+ + 8H2 O + 5BiO3 - + 30H+ → 2MnO4 - + 16H+ + 5Bi3+ + 15H2 O 2Mn2+ + 5BiO3 - + 14H+ → 2MnO4 - + 5Bi3+ + 7H2 O №37: 3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2 O Восстановитель: HNO2 Окислитель: HNO2 Данная окислительно-восстановительная реакция относится к реакциям диспропорционирования, т.к. молекулы одного и того же вещества (HNO2 ) способны окислять и восстанавливать друг друга. Это происходит потому, что вещество HNO2 содержит в своем составе атомы азота в промежуточной степени окисления (3+). Следовательно, степень окисления способна как понижаться, так и повышаться. Окисление: NO2 - + H2 O‒2e- →NO3 - + 2H+ 1 Восстановление: NO2 - + 2H+ + e- →NO + H2 O 2 3NO2 - + H2 O + 4H+ → NO3 - + 2H+ + 2NO + 2H2 O 3NO2 - + 2H+ → NO3 - + 2NO + H2 O №62: NH3 + KMnO4 + KOH = KCl + K2 MnO4 + H2 O Некорректное условие – ошибка в реагентах (NH3 ) и продуктах реакции (KCl). Возможное правильное условие: KCl + 8KMnO4 + 8KOH = KClO4 + 8K2 MnO4 + 4H2 O Восстановитель: KCl Окислитель: KMnO4 Окисление: Cl- + 8OH- ‒ 8e- → ClO4- + 4H2O 1 Восстановление: MnO4- + e- → MnO42- 8 Cl- + 8OH- + 8MnO4- → ClO4- + 4H2O + 8MnO42- 143. При сгорании 1 л бутана С4 Н10 выделилось 119,1 кДж теплоты. Вычислить энтальпию образования бутана. Условия нормальные. Решение: Уравнение реакции: ; При сгорании выделяется теплоты, а при сгорании – теплоты, тогда 119,2/2=x/0,0446; x=2,65 (кДж). Ответ: выделится . 162. Возможно ли при 2000 С протекание следующей реакции: СО + 0,5О2 = СО2 ? Решение: Возможно ли при 2000 С протекание следующей реакции: СО + 0,5О2 = СО2 ? О принципиальной возможности и направлении процесса позволяют судить величина и знак ΔG (энергия Гиббса). ΔG = ΔH – TΔS, где ΔH – изменение энтальпии реакции; ΔS – изменение энтропии реакции; Т – температура. - стандартная энтальпия образования вещества - стандартная энтропия образования вещества п - количество вещества СО (газ) О2 (газ) СО2 (газ) , кДж/моль -110,5 0 -393,5 , Дж/моль·К 197,9 205 213,6 При ΔG<0 реакция самопроизвольно протекает в прямом направлении. Ответ: возможно, так как – отрицательная величина. 189. Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 140 до 1700 ? Дано: Решение: Согласно правилу Вант-Гоффа при повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два - четыре раза. Уравнение, которое описывает это правило следующее: , где ‒ скорость реакции при температуре Т1 , ‒ скорость реакции при температуре Т2 , γ ‒ температурный коэффициент реакции. Отсюда: , γ = 3 Т1 = 140о Т2 = 170о -? Ответ: Скорость реакции увеличится в 27 раз. 222. Как повлияет на выход хлора в системе : 4 HCl(г) + О2(г) « 2 Cl2(г) + 2 Н2 О(ж) , Q = 202,4 кДж, а) повышение температуры в системе, б) уменьшение общего объема смеси, в) уменьшение концентрации кислорода, г) увеличение общего объема реактора, д) введение катализатора? Решение: 4HCl(г) + О2(г) « 2Cl2(г) + 2Н2 О(ж) , Q = 202,4 кДж Прямая реакция происходит с выделением тепла, т.е. является экзотермической (Q > 0), следовательно, обратная реакция будет протекать с поглощением тепла, т.е. является эндотермической (Q < 0). Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы компенсировать изменение. а) повышение температуры в системе будет способствовать сдвигу равновесия в сторону реакции, протекающей с поглощением тепла (эндотермической), т.е. в сторону реакции образования исходных веществ – выход хлора при этом уменьшится. б) уменьшение общего объема смеси приведет к смещению равновесия в сторону реакции, протекающей с образованием меньшего числа молей газообразных веществ, т.е. в сторону прямой реакции – выход хлора при этом увеличится. в) при уменьшении концентрации кислорода равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ – выход хлора при этом уменьшится. г) при увеличении общего объема реактора давление в системе уменьшится, потому равновесие сдвинется в сторону увеличения числа газовых молей, т.е. в сторону обратной реакции – выход хлора при этом уменьшится. д) катализатор одинаково ускоряет как прямую, так и обратную реакции и поэтому на смещение равновесия влияния не оказывает, а только способствует более быстрому его достижению, поэтому введение катализатора на выход хлора не повлияет. 237. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов гальванического элемента, у которого один электрод цинковый с концентрацией ионов цинка 10-2 моль/л, а второй – водородный с концентрацией ионов водорода 10-2 моль/л. Рассчитайте э.д.с. этого элемента. Решение: Схема химической цепи: поток электронов Электрод восстановитель (донор электронов) Электрод окислитель (акцептор электронов где и – соответственно потенциалы положительного и отрицательного электродов. Ответ: Э.Д.С. равно . 262. Напишите уравнения реакций процессов, протекающих на электродах при электрохимической защите стальных труб. Решение: Одним из вариантов электрохимической защиты стальных труб есть протекторная защита. Если в качестве протектора взять цинк, то уравнения реакций процессов, протекающих на электродах будут следующие: анодный процесс: Zn – 2e- = Zn2+ ; катодный процесс: в кислой среде – 2Н+ + 2е- = Н2 ↑; в нейтральной среде – 1/2О2 + Н2 О + 2е- = 2ОН- . 286. Вычислить рН 0,001 М раствора фтористоводородной кислоты и 0,00001 М раствора гидроксида натрия. Решение: Электролиты HF и NaOH есть сильными и потому в растворе диссоциируют полностью. Для указанных растворов имеем: Ответ: 3 и 9. 312. Слили 30 г 2 %-ного раствора ацетата свинца Pb(CH3 COO)2 и 50 мл 1 М раствора иодоводородной кислоты HI. Определите массу осадка иодида свинца. Решение: Уравнение реакции: в уравнении . Теперь рассчитаем какой реагент в избытке: = – находится в избытке, расчеты ведем по ; так как , то Ответ: . 337. В 70 г бензола С6 Н6 растворено 2,09 г некоторого вещества. Раствор кристаллизуется при 4,250 С. Установить молекулярную массу растворенного вещества. tкрист.бензола = 5,50 С. Решение: Криоскопическая константа выражается формулой где Ккр – криоскопическая константа; – величина, получаемая опытным путем – понижение точки замерзания раствора, состоящего из т кг растворенного неэлектролита и L кг растворителя; М – масса 1 моль неэлектролита, кг. Криоскопическая константа бензола Ккр = 5,1°. Отсюда Ответ: