Окислительно-восстановительные реакции органических веществ

Контрольная работа по общей химии

12. Органическое вещество в виде летучей жидкости массой 0,1437 г при 25⁰С 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 С₃Н₆ сгорело, если в результате образовалось 50 кг паров воды, если t = 30⁰С, 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: 1s²2s²2p⁶3s²3p²

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: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d². 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 + H₂SO₄(конц.) = Br₂ + SО₂ + 2H₂O

8НI + H₂SO₄(конц.) = 4I₂ + H₂S + 4H₂O

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 + 2Н₂О

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 + 7H₂O

Восстановитель: Mn(NO₃)₂

Окислитель: NaBiO₃

Окисление:

Mn²⁺ + 4H₂O ‒ 5e^- → MnO₄^- + 8H⁺

Восстановление:

BiO₃^- + 6H⁺ + 2e^- → Bi³⁺ + 3H₂O

2Mn²⁺ + ~~8H₂O~~ + 5BiO₃^- + 30H⁺ → 2MnO₄^- + ~~16H⁺~~ + 5Bi³⁺ + 15H₂O

2Mn²⁺ + 5BiO₃^- + 14H⁺ → 2MnO₄^- + 5Bi³⁺ + 7H₂O

№37:

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O

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^- + H₂O ‒ 2e^- → NO₃^- + 2H⁺

Восстановление:

NO₂^- + 2H⁺ + e^- → NO + H₂O

3NO₂^- + ~~H₂O~~ + 4H⁺ → NO₃^- + ~~2H⁺~~ + 2NO + 2H₂O

3NO₂^- + 2H⁺ → NO₃^- + 2NO + H₂O

№62:

NH₃ + KMnO₄ + KOH = KCl + K₂MnO₄ + H₂O

Некорректное условие – ошибка в реагентах (NH₃) и продуктах реакции (KCl). Возможное правильное условие:

KCl + 8KMnO₄ + 8KOH = KClO₄ + 8K₂MnO₄ + 4H₂O

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 С₄Н₁₀ 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 200⁰С протекание следующей реакции:

СО + 0,5О₂ = СО₂?

Решение:

Возможно ли при 200⁰С 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 = 140^о

Т₂ = 170^о

Ответ: Скорость реакции увеличится в 27 раз.

222. Как повлияет на выход хлора в системе :

4 HCl_(г)+ О_2(г)« 2 Cl_2(г)+ 2 Н₂О_(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)+ О_2(г)« 2Cl_2(г)+ 2Н₂О_(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^-2моль/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 + Н₂О + 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(CH₃COO)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 С₆Н₆ растворено 2,09 г некоторого вещества. Раствор кристаллизуется при 4,25⁰С. Установить молекулярную массу растворенного вещества. t_{крист.бензола}= 5,5⁰С.

Решение:

Криоскопическая константа выражается формулой

где К_кр – 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 К_кр = 5,1°.

Отсюда

Ответ: .