Примеры решения задач

Задача 1. Напишите уравнение реакции окисления дисульфида железа (II) концентрированной азотной кислотой. Составьте: схемы электронного и электронно-ионного баланса.

Решение. НNО₃ - сильный окислитель, поэтому сера будет окисляться до максимальной степени окисления S⁺⁶, а железо до Fe⁺³, при этом НNО₃ может восстанавливаться до NO или NO₂. Рассмотрим случай восстановления до NО₂.

FеS₂ + НNO_3(конц) → Fе(NO₃)₃ + Н₂SО₄ + NО₂.

Где будет находиться Н₂О (в левой или правой части), пока неиз­вестно.

Уравняем данную реакцию методом  электронного баланса. Процесс восстановления описывается схемой:

N⁺⁵ + e → N⁺⁴

В полуреакцию окисления вступают сразу два элемента - Fe и S. Железо в дисульфиде имеет степень окисления +2, а сера -1. Не­обходимо учесть, что на один атом Fе приходится два атома S:

Fe⁺² – e → Fe⁺³

2S^- - 14e → 2S⁺⁶.

Вместе железо и сера отдают 15 электронов. Полный баланс имеет вид:

15 молекул НNО₃ идут на окисление FеS₂, и еще 3 молекулы НNО₃ необходимы для образования Fе(NО₃)₃:

FеS₂ + 18НNО₃ → Fе(NО₃)₃ + 2Н₂SО₄ + 15NО₂ .

Чтобы уравнять водород и кислород, в правую часть надо доба­вить 7 молекул Н₂О:

FeS₂ + 18НNО_3(конц) = Fе(NО₃)₃ + 2Н₂SО₄ + 15NО₂ + 7Н₂О.

Используем теперь метод электронно-ионного баланса.  Рас­смотрим полуреакцию окисления. Молекула FеS₂ превращается в ион Fе³⁺ (Fе(NО₃)₃ полностью диссоциирует на ионы) и два иона SO₄^2- (диссоциация H₂SO₄):

FeS₂ → Fe³⁺ + 2SO₂^4-.

Для того, чтобы уравнять кислород, в левую часть, добавим 8 молекул H₂O, а в правую – 16 ионов Н⁺ (среда кислая!):

FeS₂ + 8H₂O → Fe³⁺ + 2SO₄^2- + 16H⁺.

Заряд левой части равен 0, заряд правой +15, поэтому FеS₂ дол­жен отдать 15 электронов:

FеS₂ + 8Н₂О - 15е → Fе³⁺ + 2SО₄^2- + 16Н⁺.

Рассмотрим теперь полуреакцию восстановления нитрат-иона:

NO^-3 → NO₂.

Необходимо отнять у NО₃^- один атом О. Для этого к левой части добавим 2 иона Н⁺ (кислая среда), а к правой — одну молекулу Н₂О:

NО₃^- + 2Н⁺ → NО₂ + Н₂О.

Для уравнивания заряда к левой части (заряд +1) добавим один электрон:

NО₃^- + 2Н⁺ + е → NO₂ + Н₂О.

Полный электронно-ионный баланс имеет вид:

Сократив обе части на 16Н⁺ и 8Н₂О, получим сокращенное ион­ное уравнение окислительно-восстановительной реакции:

FеS₂ + 15NО₃^- + 14Н⁺ = Fе³⁺ + 2SО₄^2- + 15NО₂ + 7Н₂О.

Добавив в обе части уравнения соответствующее количество ионов по три иона NО₃^- и Н⁺, находим молекулярное уравнение реакции:

FеS₂ + 18НNО_3(конц) = Fе(NО₃)₃ + 2Н₂SО₄ + 15NО₂ + 7Н₂О.

Задача 2. Напишите уравнения реакций, протекающих в вод­ной среде:

а) Na₂SО₃ + КМnО₄ + Н₂SО₄ → X + …

б) Х + КОН → ...

Решение.

а) Перманганат калия в кислой среде восстанавли­вается в соль марганца (II), а сульфит натрия окисляется до суль­фата натрия:

5Nа₂SО₃ + 2КМnО₄ + ЗН₂SО₄ = 5Nа₂SО₄ + К₂SО₄ + 2МnSО₄ + ЗН₂О.

б) Из продуктов реакции а) только сульфат марганца (II) (вещество X) реагирует со щелочью в водном растворе:

MnSО₄ + 2КОН = Мn(ОН)₂↓+ К₂SО₄.     

Задача 3. Электролиз 400 г 8,5%-ного раствора нитрата се­ребра продолжали до тех пор, пока масса раствора не уменьши­лась на 25 г. Вычислите массовые доли соединений в растворе, полученном после окончания электролиза, и массы веществ, вы­делившихся на инертных электродах.

Решение. При электролизе водного раствора АgNО₃ на катоде происходит восстановление ионов Аg⁺, а на аноде — окисление молекул воды:

Катод: Аg⁺ + е = Аg.

Анод: 2Н₂О - 4е = 4Н⁺ + О₂.       

Суммарное уравнение:

4AgNО₃ + 2Н₂О = 4Ag↓ + 4НNО₃ + О₂↑.

v(АgNО₃) = 400^.0,085 / 170 = 0,2 моль. При полном электролити­ческом разложении данного количества соли выделяется 0,2 моль Аg массой 0,2^.108 = 21,6 г и 0,05 моль О₂ массой 0,05^.32 = 1,6 г. Общее уменьшение массы раствора за счет серебра и кислорода составит 21,6+1,6 = 23,2 г.

При электролизе образовавшегося раствора азотной кислоты разлагается вода:

2H₂O = 2Н₂↑ + O₂↑.

Потеря массы раствора за счет электролиза воды составляет 25 - 23,2 = 1,8 г. Количество разложившейся воды равно: v(Н₂0) = 1,8/18 = 0,1. На электродах выделилось 0,1 моль Н₂ массой 0,1^.2 = 0,2 г и 0,1/2 = 0,05 моль О₂ массой 0,05^.32 = 1,6 г. Общая масса кислорода, выделившегося на аноде в двух процессах, равна 1,6+1,6 = 3,2 г.

В оставшемся растворе содержится азотная кислота: v(НNO₃) = v(AgNО₃) = 0,2 моль, m(НNО₃) = 0,2^.63 = 12,6 г. Масса раство­ра после окончания электролиза равна 400-25 = 375 г. Массовая доля азотной кислоты: ω(НNО₃) = 12,6/375 = 0,0336, или 3,36%.

Ответ. ω(НNО₃) = 3,36%, на катоде выделилось 21,6 г Аg и 0,2 г Н₂, на аноде — 3,2 г О₂.

Задача 4.  Составить уравнение реакции восстановления Fe₃O₄ водородом.

Решение. Запишем схему процесса с указанием изменения степеней окисления элементов:

Составляем электронные уравнения:

Найденные коэффициенты проставляем в схему процесса, заменяя стрелку на знак равенства:

Fе₃О₄ + 4Н₂ = ЗFе + 4Н₂О

Задача 5. Составьте схемы электролиза водных растворов: а) сульфата меди б) хлорида магния; в) сульфата калия.

Во всех случаях электролиз проводится с использованием угольных электродов.

Решение.

а) В растворе сульфат меди диссоциирует на ионы:

СuSО₄  Сu²⁺ + SO₄^2-

Ионы меди могут восстанавливаться, на катоде в водном растворе. Сульфат-ионы в водном растворе не окисляются, поэтому на аноде будет протекать окисление воды. Схема электролиза:

б) Диссоциация хлорида магния в водном растворе:

MgCl²⁺ Mg²⁺+2Сl^-

Ионы магния не могут восстанавливаться в водном растворе (идет восстановление воды), хлорид-ионы — окисляются. Схема электролиза:

в) Диссоциация сульфата калия в водном растворе:

К₂SО₄ 2К⁺ + SO₄^2-

Ионы калия и сульфат-ионы не могут разряжаться на электродах в водном растворе, следовательно, на катоде будет протекать восстановление, а на аноде — окисление воды. Схема электролиза:

или, учитывая, что 4Н⁺ + 4ОН^- = 4Н₂О (осуществляется при перемешивании),

2H₂O 2H₂ + O₂