Страница 239 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

9.4. Приведите примеры соединений хрома фиолетового, синего, зелёного, красного, оранжевого, жёлтого цветов.

Хром является переходным металлом, соединения которого известны своим широким спектром цветов. Окраска соединений хрома зависит от его степени окисления, координационного числа и природы лигандов, входящих в состав соединения. Ниже приведены примеры соединений для каждого из указанных цветов.

фиолетового
Фиолетовую окраску, как правило, имеют соединения хрома(III), в которых ион $Cr^{3+}$ координирован шестью молекулами воды, образуя акваион $[Cr(H_2O)_6]^{3+}$. Такие ионы содержатся, например, в кристаллах хромокалиевых квасцов или в растворах некоторых солей хрома(III). Также фиолетовым является безводный хлорид хрома(III).
Ответ: Безводный хлорид хрома(III) $CrCl_3$, хромокалиевые квасцы $KCr(SO_4)_2 \cdot 12H_2O$.

синего
Небесно-синий цвет характерен для соединений двухвалентного хрома ($Cr^{2+}$). Эти соединения являются сильными восстановителями и неустойчивы на воздухе. Примером может служить свежеприготовленный водный раствор хлорида хрома(II).
Ответ: Хлорид хрома(II) $CrCl_2$ (в водном растворе).

зелёного
Зелёный цвет — один из самых распространённых для соединений хрома(III). Эта окраска возникает, когда в координационной сфере иона $Cr^{3+}$ присутствуют другие лиганды помимо воды (например, хлорид- или гидроксид-ионы) или в твёрдой фазе. Классическими примерами являются оксид хрома(III), используемый как пигмент, и гидратированные соли, такие как сульфат хрома(III).
Ответ: Оксид хрома(III) $Cr_2O_3$, гидратированный сульфат хрома(III) $Cr_2(SO_4)_3$.

красного
Красный цвет может быть у соединений хрома в разных степенях окисления. Наиболее известный пример — оксид хрома(VI), или хромовый ангидрид, который представляет собой тёмно-красные игольчатые кристаллы. Также примером может служить рубин, где красный цвет обусловлен примесью ионов $Cr^{3+}$ в кристалле оксида алюминия.
Ответ: Оксид хрома(VI) $CrO_3$.

оранжевого
Оранжевая окраска характерна для дихроматов — солей, содержащих дихромат-ион $Cr_2O_7^{2-}$, в котором хром находится в высшей степени окисления +6. Эти соли являются сильными окислителями.
Ответ: Дихромат калия $K_2Cr_2O_7$, дихромат аммония $(NH_4)_2Cr_2O_7$.

жёлтого
Жёлтый цвет имеют хроматы — соли, содержащие хромат-ион $CrO_4^{2-}$. В этих соединениях хром также находится в степени окисления +6. Хроматы устойчивы в щелочной среде и переходят в оранжевые дихроматы при подкислении.
Ответ: Хромат калия $K_2CrO_4$, хромат свинца(II) $PbCrO_4$.

9.5. Как получить из хрома его высший оксид? Запишите уравнения реакций.

Решение

Высший оксид хрома — это оксид хрома(VI) с формулой $CrO_3$. Хром находится в VI группе периодической системы, и его высшая степень окисления равна +6.

Получить оксид хрома(VI) прямым окислением металлического хрома кислородом невозможно, так как при этом образуется наиболее устойчивый оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$):

$4Cr + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Cr_2O_3$

Поэтому для получения высшего оксида хрома используют многостадийный синтез. Процесс можно осуществить по следующей схеме:

1. Окисление хрома до оксида хрома(III).
Сначала металлический хром сжигают в кислороде для получения оксида хрома(III):
$4Cr + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Cr_2O_3$

2. Перевод оксида хрома(III) в хромат щелочного металла.
Далее оксид хрома(III) сплавляют со щелочью (или карбонатом щелочного металла) в присутствии сильного окислителя (например, кислорода воздуха, нитрата или хлората калия). В результате хром(III) окисляется до хрома(VI) с образованием хромата, например, хромата натрия:
$2Cr_2O_3 + 8NaOH + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 4Na_2CrO_4 + 4H_2O$

3. Получение дихромата из хромата.
Полученный раствор хромата натрия подкисляют серной кислотой. В кислой среде желтый хромат-ион переходит в оранжевый дихромат-ион:
$2Na_2CrO_4 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2Cr_2O_7 + Na_2SO_4 + H_2O$

4. Получение оксида хрома(VI).
На заключительном этапе к концентрированному раствору дихромата натрия добавляют концентрированную серную кислоту. Серная кислота является сильным водоотнимающим средством и приводит к выделению оксида хрома(VI) в виде тёмно-красных кристаллов.
$Na_2Cr_2O_7 + 2H_2SO_4 (\text{конц.}) \rightarrow 2CrO_3 \downarrow + 2NaHSO_4 + H_2O$

Таким образом, получение высшего оксида хрома из металлического хрома — это многостадийный процесс, включающий последовательное окисление хрома до степени окисления +6 и последующее выделение оксида.

Ответ: Высший оксид хрома $CrO_3$ получают из металлического хрома в несколько стадий. Уравнения реакций одной из возможных последовательностей:
1) $4Cr + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Cr_2O_3$
2) $2Cr_2O_3 + 8NaOH + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 4Na_2CrO_4 + 4H_2O$
3) $2Na_2CrO_4 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2Cr_2O_7 + Na_2SO_4 + H_2O$
4) $Na_2Cr_2O_7 + 2H_2SO_4 (\text{конц.}) \rightarrow 2CrO_3 \downarrow + 2NaHSO_4 + H_2O$

9.6. Какие продукты образуются при термическом разложении: а) дихромата аммония; б) хромата аммония; в) сульфата хрома(III)? Запишите уравнения реакций.

а) дихромата аммония

Термическое разложение дихромата аммония, $(NH_4)_2Cr_2O_7$, — это внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция. В этой реакции атом азота в катионе аммония ($NH_4^+$) имеет степень окисления -3 и является восстановителем, а атом хрома в дихромат-анионе ($Cr_2O_7^{2-}$) имеет степень окисления +6 и является окислителем. При нагревании азот окисляется до молекулярного азота ($N_2$), а хром восстанавливается до оксида хрома(III) ($Cr_2O_3$). Также в реакции выделяется вода. Эта реакция известна как «вулкан Бёттгера» из-за эффектного выделения объёмного зеленого порошка оксида хрома(III) и газа.

Уравнение реакции:
$(NH_4)_2Cr_2O_7 \xrightarrow{t^\circ} Cr_2O_3 + N_2 \uparrow + 4H_2O$

Ответ: продуктами термического разложения дихромата аммония являются оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$), азот ($N_2$) и вода ($H_2O$).

б) хромата аммония

Термическое разложение хромата аммония, $(NH_4)_2CrO_4$, также представляет собой окислительно-восстановительный процесс, но протекает сложнее, чем у дихромата. При нагревании происходит как выделение аммиака, так и окислительно-восстановительная реакция. Азот из иона аммония частично окисляется до $N_2$, а частично выделяется в виде аммиака ($NH_3$). Хром со степенью окисления +6 восстанавливается до хрома со степенью окисления +3 в составе оксида хрома(III) ($Cr_2O_3$).

Суммарное уравнение реакции можно записать следующим образом:
$2(NH_4)_2CrO_4 \xrightarrow{t^\circ} Cr_2O_3 + 2NH_3 \uparrow + N_2 \uparrow + 5H_2O$

Ответ: продуктами термического разложения хромата аммония являются оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$), аммиак ($NH_3$), азот ($N_2$) и вода ($H_2O$).

в) сульфата хрома(III)

Сульфат хрома(III), $Cr_2(SO_4)_3$, является солью, образованной катионом металла в стабильной степени окисления +3 и анионом сильной кислоты. Такие соли термически очень устойчивы. Разложение сульфата хрома(III) происходит при сильном прокаливании (при температурах выше 700 °C) с образованием соответствующих оксидов: оксида хрома(III) и оксида серы(VI).

Уравнение реакции:
$Cr_2(SO_4)_3 \xrightarrow{t^\circ > 700^\circ C} Cr_2O_3 + 3SO_3 \uparrow$

Ответ: продуктами термического разложения сульфата хрома(III) являются оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$) и оксид серы(VI) ($SO_3$).

9.7. Зелёный порошок, полученный сплавлением дихромата калия с серой, промыли водой, а затем смешали с алюминием и полученную смесь подожгли. Произошла бурная реакция, в ходе которой образовался королёк металла. Его растворили без доступа воздуха в избытке концентрированной соляной кислоты, а затем оставили на воздухе. Запишите уравнения реакций.

Решение

Процесс, описанный в задаче, включает в себя четыре последовательные химические реакции.

При сплавлении дихромата калия с серой происходит окислительно-восстановительная реакция. Сильный окислитель дихромат калия ($K_2Cr_2O_7$) окисляет серу (S), а сам восстанавливается до оксида хрома(III) ($Cr_2O_3$). Этот оксид имеет зелёный цвет и нерастворим в воде, в то время как второй продукт, сульфат калия ($K_2SO_4$), растворяется и удаляется при промывке.

$K_2Cr_2O_7 + S \xrightarrow{t} Cr_2O_3 + K_2SO_4$

Полученный зелёный порошок ($Cr_2O_3$) вступает в реакцию алюминотермии при поджигании смеси с алюминием. Алюминий, как более активный металл, восстанавливает хром из его оксида. Реакция является сильно экзотермической, поэтому выделяющийся металлический хром (Cr) находится в расплавленном состоянии и образует "королёк".

$Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} 2Cr + Al_2O_3$

Королёк металлического хрома растворяют в концентрированной соляной кислоте без доступа воздуха. Хром реагирует с кислотой, образуя хлорид хрома(II) ($CrCl_2$) и водород. Условие "без доступа воздуха" является ключевым, так как соединения хрома(II) неустойчивы и легко окисляются кислородом.

$Cr + 2HCl_{конц.} \rightarrow CrCl_2 + H_2\uparrow$

Когда полученный раствор оставляют на воздухе, кислород ($O_2$) в присутствии соляной кислоты окисляет хлорид хрома(II) до более устойчивого хлорида хрома(III) ($CrCl_3$).

$4CrCl_2 + O_2 + 4HCl \rightarrow 4CrCl_3 + 2H_2O$

Ответ:

$K_2Cr_2O_7 + S \xrightarrow{t} Cr_2O_3 + K_2SO_4$

$Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} 2Cr + Al_2O_3$

$Cr + 2HCl \rightarrow CrCl_2 + H_2\uparrow$

$4CrCl_2 + O_2 + 4HCl \rightarrow 4CrCl_3 + 2H_2O$

9.8. Почему хромовую и двухромовую кислоты не удаётся выделить в индивидуальном виде?

Почему хромовую и двухромовую кислоты не удаётся выделить в индивидуальном виде?

Решение

Хромовую кислоту ($H_2CrO_4$) и двухромовую (или дихромовую) кислоту ($H_2Cr_2O_7$) невозможно выделить в чистом, индивидуальном виде, поскольку они являются крайне нестабильными соединениями и существуют исключительно в водных растворах. Попытки их выделения приводят к их разложению на оксид хрома(VI) и воду.

Подробное объяснение включает следующие ключевые моменты:

1. Существование в равновесии. В водных растворах соединения хрома в степени окисления +6 находятся в сложном подвижном равновесии, которое сильно зависит от pH среды. Основными участниками этого равновесия являются хромат-ионы ($CrO_4^{2-}$), гидрохромат-ионы ($HCrO_4^-$) и дихромат-ионы ($Cr_2O_7^{2-}$).

• В щелочной и нейтральной среде преобладают желтые хромат-ионы $CrO_4^{2-}$.
• При подкислении раствора (увеличении концентрации ионов $H^+$) равновесие смещается в сторону образования оранжевых дихромат-ионов $Cr_2O_7^{2-}$:

$2CrO_4^{2-} \text{ (желтый)} + 2H^+ \rightleftharpoons 2HCrO_4^- \rightleftharpoons Cr_2O_7^{2-} \text{ (оранжевый)} + H_2O$

Сами кислоты, $H_2CrO_4$ и $H_2Cr_2O_7$, являются лишь гидратированными формами оксида хрома(VI) ($CrO_3$) и существуют в этом равновесии как недиссоциированные частицы, но их концентрация мала, так как это сильные кислоты.

2. Нестабильность и дегидратация. Главная причина, по которой эти кислоты нельзя выделить, — их склонность к дегидратации (потере воды). Если попытаться сконцентрировать раствор, например, выпариванием воды, чтобы получить твердое вещество, равновесие смещается в сторону образования ангидрида — оксида хрома(VI).

• Разложение хромовой кислоты: $H_2CrO_4 \rightarrow CrO_3 \downarrow + H_2O$
• Разложение двухромовой кислоты: $H_2Cr_2O_7 \rightarrow 2CrO_3 \downarrow + H_2O$

В обоих случаях при удалении воды из системы образуется одно и то же стабильное твердое вещество — оксид хрома(VI) ($CrO_3$), который представляет собой темно-красные кристаллы. Таким образом, вместо ожидаемых кислот выделяется их ангидрид.

Ответ: Хромовую и двухромовую кислоты не удаётся выделить в индивидуальном виде, так как они являются нестабильными соединениями, существующими только в водных растворах в состоянии динамического равновесия. Любая попытка их выделения (например, удалением воды) приводит к их разложению (дегидратации) с образованием их общего стабильного ангидрида — оксида хрома(VI) ($CrO_3$).

9.9. Сплав хрома и железа массой 16 г при хлорировании даёт 48 г смеси хлоридов. Найдите массовые доли металлов в сплаве.

Дано:

Масса сплава (Cr и Fe), $m_{сплава} = 16$ г
Масса смеси хлоридов ($CrCl_3$ и $FeCl_3$), $m_{хлоридов} = 48$ г
Молярная масса хрома, $M(Cr) = 52$ г/моль
Молярная масса железа, $M(Fe) = 56$ г/моль
Молярная масса хлора, $M(Cl) = 35,5$ г/моль

Найти:

Массовую долю хрома, $\omega(Cr)$
Массовую долю железа, $\omega(Fe)$

Решение:

1. Запишем уравнения реакций хлорирования металлов. Хром и железо в реакции с сильным окислителем, таким как хлор, обычно проявляют свою высшую устойчивую степень окисления +3:
$2Cr + 3Cl_2 \rightarrow 2CrCl_3$
$2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

2. Найдем массу хлора, вступившего в реакцию. Согласно закону сохранения массы, масса продуктов реакции равна массе исходных веществ. Масса хлоридов складывается из массы металлов и массы присоединенного к ним хлора.
$m(Cl) = m_{хлоридов} - m_{сплава} = 48 \text{ г} - 16 \text{ г} = 32 \text{ г}$

3. Найдем количество вещества атомарного хлора, вступившего в реакцию.
$n(Cl) = \frac{m(Cl)}{M(Cl)} = \frac{32 \text{ г}}{35,5 \text{ г/моль}}$

4. Составим систему уравнений. Пусть в сплаве содержится $x$ моль хрома и $y$ моль железа.
Тогда масса сплава описывается первым уравнением: $m_{сплава} = m(Cr) + m(Fe) = n(Cr) \cdot M(Cr) + n(Fe) \cdot M(Fe)$
$52x + 56y = 16$

Из уравнений реакций следует, что на 1 моль каждого металла (и хрома, и железа) расходуется 3 моль атомарного хлора.
Тогда общее количество вещества хлора: $n(Cl) = 3 \cdot n(Cr) + 3 \cdot n(Fe) = 3(x+y)$
Второе уравнение: $3(x+y) = \frac{32}{35,5}$
Из него следует, что $x+y = \frac{32}{3 \cdot 35,5} = \frac{32}{106,5}$

5. Решим полученную систему уравнений:
$\begin{cases} 52x + 56y = 16 \\ x+y = \frac{32}{106,5} \end{cases}$
Из второго уравнения выразим $y$: $y = \frac{32}{106,5} - x$
Подставим это выражение в первое уравнение:
$52x + 56(\frac{32}{106,5} - x) = 16$
$52x + \frac{56 \cdot 32}{106,5} - 56x = 16$
$\frac{1792}{106,5} - 4x = 16$
$4x = \frac{1792}{106,5} - 16 = \frac{1792 - 16 \cdot 106,5}{106,5} = \frac{1792 - 1704}{106,5} = \frac{88}{106,5}$
$x = \frac{88}{4 \cdot 106,5} = \frac{22}{106,5}$ моль
Итак, количество вещества хрома: $n(Cr) = x = \frac{22}{106,5}$ моль.

Теперь найдем $y$, количество вещества железа:
$y = n(Fe) = \frac{32}{106,5} - x = \frac{32}{106,5} - \frac{22}{106,5} = \frac{10}{106,5}$ моль

6. Найдем массы металлов в сплаве:
$m(Cr) = n(Cr) \cdot M(Cr) = \frac{22}{106,5} \cdot 52 \text{ г/моль} = \frac{1144}{106,5} \text{ г} \approx 10,742$ г
$m(Fe) = n(Fe) \cdot M(Fe) = \frac{10}{106,5} \cdot 56 \text{ г/моль} = \frac{560}{106,5} \text{ г} \approx 5,258$ г
Проверка: $10,742 \text{ г} + 5,258 \text{ г} = 16$ г. Верно.

7. Найдем массовые доли металлов в сплаве.
$\omega(Cr) = \frac{m(Cr)}{m_{сплава}} = \frac{10,742 \text{ г}}{16 \text{ г}} \approx 0,6714$ или $67,14\%$
$\omega(Fe) = \frac{m(Fe)}{m_{сплава}} = \frac{5,258 \text{ г}}{16 \text{ г}} \approx 0,3286$ или $32,86\%$
Также массовую долю железа можно найти как: $\omega(Fe) = 1 - \omega(Cr) = 1 - 0,6714 = 0,3286$

Ответ: массовая доля хрома в сплаве составляет $67,14\%$, массовая доля железа - $32,86\%$.

9.10. При прокаливании оксида марганца(IV) получено соединение, содержащее 72,1% марганца по массе. Запишите уравнение реакции.

Дано:

Исходное вещество - оксид марганца(IV) ($MnO_2$)

Массовая доля марганца в продукте реакции $w(Mn) = 72,1\%$

Найти:

Уравнение реакции.

Решение:

1. При прокаливании оксид марганца(IV) разлагается с образованием другого оксида марганца и выделением кислорода. Обозначим формулу полученного оксида как $Mn_xO_y$.

2. Зная массовую долю марганца в продукте, найдем массовую долю кислорода:

$w(O) = 100\% - w(Mn) = 100\% - 72,1\% = 27,9\%$

3. Найдем соотношение индексов $x$ и $y$ в формуле $Mn_xO_y$. Для этого найдем соотношение количеств вещества (молей) атомов марганца и кислорода. Допустим, у нас есть 100 г этого оксида. Тогда масса марганца в нем составляет 72,1 г, а масса кислорода - 27,9 г.

Относительные атомные массы элементов (округляем): $Ar(Mn) \approx 55 \text{ а.е.м.}$, $Ar(O) \approx 16 \text{ а.е.м.}$

Соотношение индексов равно соотношению молей атомов:

$x : y = n(Mn) : n(O) = \frac{m(Mn)}{Ar(Mn)} : \frac{m(O)}{Ar(O)}$

$x : y = \frac{72,1}{55} : \frac{27,9}{16}$

$x : y \approx 1,311 : 1,744$

4. Для нахождения простейшего целочисленного соотношения разделим оба числа на наименьшее из них (1,311):

$x : y = \frac{1,311}{1,311} : \frac{1,744}{1,311} \approx 1 : 1,33$

Дробное число $1,33$ можно представить как $\frac{4}{3}$. Чтобы получить целые числа, умножим оба члена отношения на 3:

$x : y = (1 \times 3) : (\frac{4}{3} \times 3) = 3 : 4$

Таким образом, простейшая формула полученного оксида - $Mn_3O_4$ (смешанный оксид марганца(II, III), также известный как закись-окись марганца или минерал гаусманит).

5. Проверим, соответствует ли массовая доля марганца в $Mn_3O_4$ значению из условия.

Молярная масса $M(Mn_3O_4) = 3 \times Ar(Mn) + 4 \times Ar(O) = 3 \times 55 + 4 \times 16 = 165 + 64 = 229 \text{ г/моль}$.

$w(Mn) = \frac{3 \times Ar(Mn)}{M(Mn_3O_4)} \times 100\% = \frac{3 \times 55}{229} \times 100\% \approx 72,05\%$

Рассчитанное значение (72,05%) практически совпадает с данным в условии (72,1%), что подтверждает правильность определения формулы продукта.

6. Теперь запишем уравнение реакции термического разложения оксида марганца(IV). Продуктами являются $Mn_3O_4$ и кислород $O_2$.

Схема реакции: $MnO_2 \xrightarrow{t} Mn_3O_4 + O_2$

Уравняем количество атомов марганца, поставив коэффициент 3 перед $MnO_2$:

$3MnO_2 \xrightarrow{t} Mn_3O_4 + O_2$

Проверим баланс по кислороду. Слева: $3 \times 2 = 6$ атомов. Справа: $4 + 2 = 6$ атомов. Атомы кислорода также уравнены.

Следовательно, уравнение реакции записано верно.

Ответ: $3MnO_2 \xrightarrow{t^\circ} Mn_3O_4 + O_2$

9.11. В кислотной среде марганец устойчив в степени окисления +2. Запишите реакции марганца с соляной и концентрированной азотной кислотой.

В условии задачи указано, что в кислотной среде марганец устойчив в степени окисления +2. Это означает, что в продуктах реакций с кислотами марганец будет образовывать соли, в которых он имеет степень окисления +2 (ионы $Mn^{2+}$).

Марганец — металл средней активности, стоящий в электрохимическом ряду напряжений левее водорода. Поэтому он будет реагировать с кислотами-неокислителями, такими как соляная кислота ($HCl$), с вытеснением водорода. В ходе реакции образуется соль марганца(II) — хлорид марганца(II), и выделяется газообразный водород.

Уравнение химической реакции:

$Mn + 2HCl \rightarrow MnCl_2 + H_2 \uparrow$

В этой реакции марганец выступает в роли восстановителя, повышая свою степень окисления с 0 до +2. Ионы водорода в кислоте выступают в роли окислителя, понижая свою степень окисления с +1 до 0.

Ответ: $Mn + 2HCl \rightarrow MnCl_2 + H_2 \uparrow$

Концентрированная азотная кислота ($HNO_3$) является сильной кислотой-окислителем. При реакции с металлами она восстанавливается за счет атома азота, а не водорода. В случае реакции с концентрированной азотной кислотой продуктом восстановления обычно является оксид азота(IV) ($NO_2$) — газ бурого цвета. Марганец, как указано в условии, окисляется до своей устойчивой степени окисления +2, образуя нитрат марганца(II).

Данная реакция является окислительно-восстановительной. Для её уравнивания составим электронный баланс:

$Mn^0 - 2e^- \rightarrow Mn^{+2}$ | 1 (процесс окисления, Mn - восстановитель)
$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ | 2 (процесс восстановления, $N^{+5}$ - окислитель)

На основе электронного баланса расставляем коэффициенты в уравнении реакции. Коэффициент 1 перед марганцем, коэффициент 2 перед $NO_2$. Затем уравниваем остальные элементы.

Итоговое уравнение реакции:

$Mn + 4HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow Mn(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$

Ответ: $Mn + 4HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow Mn(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$

9.12. Составьте электронный баланс для уравнений:

$\mathrm{а}) 2{\mathrm{КМnО}}_4+5{\mathrm{Н}}_2{\mathrm{О}}_2+3{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4=$ $2{\mathrm{MnSO}}_4+{\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4+5{\mathrm{О}}_2+8{\mathrm{Н}}_2\mathrm{О}$

$\mathrm{б}) 2{\mathrm{КМnО}}_4+7{\mathrm{Н}}_2{\mathrm{О}}_2+3{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4=$ $2{\mathrm{MnSO}}_4+{\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4+6{\mathrm{О}}_9+10{\mathrm{Н}}_2\mathrm{О}$

Объясните различие в расстановке коэффициентов.

а) 2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5O₂ + 8H₂O

Решение

1. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции.

• В перманганате калия ($K\stackrel{+1}{Mn}\stackrel{+7}{O_4}\stackrel{-2}{}$) марганец имеет степень окисления +7.
• В пероксиде водорода ($H_2\stackrel{+1}{O_2}\stackrel{-1}{}$) кислород имеет степень окисления -1.
• В сульфате марганца ($Mn\stackrel{+2}{S}\stackrel{+6}{O_4}\stackrel{-2}{}$) марганец имеет степень окисления +2.
• В молекулярном кислороде ($O_2\stackrel{0}{}$) кислород имеет степень окисления 0.

2. Составим полуреакции окисления и восстановления.
$Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$ (процесс восстановления)
$2O^{-1} - 2e^- \rightarrow O_2^0$ (процесс окисления)

3. Найдем наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (2 и 5), оно равно 10. Домножим полуреакции на соответствующие коэффициенты, чтобы уравнять число электронов.

4. Суммируем полуреакции:
$2Mn^{+7} + 10O^{-1} \rightarrow 2Mn^{+2} + 5O_2^0$

5. Переносим коэффициенты в исходное уравнение: 2 перед $KMnO_4$ и $MnSO_4$; 5 перед $H_2O_2$ и $O_2$.
$2KMnO_4 + 5H_2O_2 + H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 5O_2 + H_2O$

6. Уравниваем остальные элементы:

• Калий (K): слева 2 атома, значит, справа ставим коэффициент 1 перед $K_2SO_4$.
• Сера (S): справа $2 + 1 = 3$ атома, значит, слева ставим коэффициент 3 перед $H_2SO_4$.
• Водород (H): слева $5 \times 2 + 3 \times 2 = 16$ атомов, значит, справа ставим коэффициент 8 перед $H_2O$.
• Проверяем кислород (O): слева $2 \times 4 + 5 \times 2 + 3 \times 4 = 8 + 10 + 12 = 30$ атомов. Справа $2 \times 4 + 4 + 5 \times 2 + 8 = 8 + 4 + 10 + 8 = 30$ атомов. Баланс сходится.

Ответ: Электронный баланс для данной реакции:
$Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$ | x 2
$2O^{-1} - 2e^- \rightarrow O_2^0$ | x 5

б) 2KMnO₄ + 7H₂O₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 6O₂ + 10H₂O

Решение

Данное уравнение является стехиометрически верным, однако оно описывает сумму двух одновременно протекающих процессов. Составить единый электронный баланс, который приводил бы к таким коэффициентам, стандартным методом невозможно.

1. Первый процесс — это окислительно-восстановительная реакция между перманганатом калия и пероксидом водорода, рассмотренная в пункте а):
$2KMnO_4 + 5H_2O_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 5O_2 + 8H_2O$

2. Второй процесс — это каталитическое разложение избытка пероксида водорода на воду и кислород. Катализатором этого процесса выступают ионы $Mn^{2+}$, образующиеся в первой реакции:
$2H_2O_2 \xrightarrow{Mn^{2+}} 2H_2O + O_2$

Если сложить первое уравнение со вторым, то получатся итоговые коэффициенты, указанные в условии задачи:
$(2KMnO_4 + 5H_2O_2 + 3H_2SO_4) + (2H_2O_2) \rightarrow (2MnSO_4 + K_2SO_4 + 5O_2 + 8H_2O) + (2H_2O + O_2)$
Суммируя реагенты и продукты, получаем:
$2KMnO_4 + 7H_2O_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 6O_2 + 10H_2O$

Ответ: Электронный баланс можно составить только для окислительно-восстановительной части процесса, и он будет таким же, как в пункте а). Уравнение б) представляет собой сумму основной реакции и реакции каталитического разложения 2 моль $H_2O_2$.

Объясните различие в расстановке коэффициентов.

Решение

Различие в коэффициентах между уравнениями а) и б) объясняется тем, что они описывают разные по полноте химические процессы.

Уравнение а) описывает только одну реакцию — окисление пероксида водорода перманганатом калия в кислой среде. Электронный баланс для этой реакции однозначно приводит к соотношению реагентов $KMnO_4 : H_2O_2$ как $2:5$.

Уравнение б) описывает два параллельных процесса: ту же самую окислительно-восстановительную реакцию, что и в а), и дополнительно каталитическое разложение избыточного пероксида водорода. Образующиеся в основной реакции ионы марганца $Mn^{2+}$ катализируют распад еще 2 моль $H_2O_2$ на 2 моль $H_2O$ и 1 моль $O_2$. Поэтому в уравнении б) общее количество прореагировавшего пероксида водорода равно $5+2=7$ моль, а выделившегося кислорода — $5+1=6$ моль.

Ответ: Различие в коэффициентах обусловлено тем, что в реакции б) помимо основной окислительно-восстановительной реакции протекает каталитическое разложение избытка пероксида водорода.

9.13. Запишите уравнения реакций оксида марганца(IV) с соляной и азотной кислотой, если известно, что в обоих случаях марганец восстанавливается, а в ходе реакций образуются газы.

В задаче требуется записать уравнения двух окислительно-восстановительных реакций. В обоих случаях оксид марганца(IV) ($MnO_2$) является окислителем, так как по условию марганец восстанавливается. Степень окисления марганца в $MnO_2$ равна +4. Наиболее устойчивой степенью окисления марганца в кислой среде является +2, поэтому марганец будет восстанавливаться до $Mn^{+2}$.

1. Реакция с соляной кислотой (HCl)

В этой реакции $MnO_2$ выступает в роли окислителя ($Mn^{+4} \rightarrow Mn^{+2}$), а соляная кислота — в роли восстановителя. По условию в ходе реакции образуется газ. Это означает, что хлорид-ион ($Cl^{-}$) из соляной кислоты окисляется до газообразного хлора ($Cl_2$). Продуктами реакции являются соль хлорид марганца(II), газ хлор и вода.

Рассмотрим полуреакции окисления и восстановления:

• Восстановление марганца: $Mn^{+4} + 2e^{-} \rightarrow Mn^{+2}$
• Окисление хлора: $2Cl^{-} - 2e^{-} \rightarrow Cl_2^{0}$

Количество отданных и принятых электронов равно, поэтому коэффициенты перед окислителем и восстановителем в ионном уравнении равны 1.

Суммарное уравнение реакции в молекулярном виде:

$MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$

Ответ: $MnO_2 + 4HCl = MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$

2. Реакция с азотной кислотой (HNO₃)

В данной реакции $MnO_2$ также является окислителем ($Mn^{+4} \rightarrow Mn^{+2}$). Однако азотная кислота, в которой азот находится в высшей степени окисления +5, сама является сильным окислителем и не может выступать в роли восстановителя.

Поскольку в реакции должен выделяться газ и марганец должен восстановиться, единственным возможным восстановителем является кислород, входящий в состав оксида марганца(IV). Кислород со степенью окисления -2 окисляется до свободного кислорода $O_2$ (газ) со степенью окисления 0. В данном случае $MnO_2$ проявляет и окислительные (за счет $Mn^{+4}$), и восстановительные (за счет $O^{-2}$) свойства. Азотная кислота реагирует как кислота, образуя с ионами $Mn^{+2}$ соль — нитрат марганца(II).

Рассмотрим полуреакции:

• Восстановление марганца: $Mn^{+4} + 2e^{-} \rightarrow Mn^{+2}$
• Окисление кислорода: $2O^{-2} - 4e^{-} \rightarrow O_2^{0}$

Чтобы уравнять число электронов, умножим первую полуреакцию на 2. Это означает, что на 2 атома марганца, которые восстанавливаются, приходится 2 атома кислорода (одна молекула $O_2$), которые окисляются. Таким образом, в реакцию вступают 2 молекулы $MnO_2$.

Суммарное уравнение реакции в молекулярном виде:

$2MnO_2 + 4HNO_3 \rightarrow 2Mn(NO_3)_2 + O_2\uparrow + 2H_2O$

Ответ: $2MnO_2 + 4HNO_3 = 2Mn(NO_3)_2 + O_2\uparrow + 2H_2O$

9.14. Смесь перманганата калия и мела массой 11,32 г растворили в избытке соляной кислоты, при этом выделилось 3,36 л газов (н. у.). Определите массовые доли компонентов смеси.

Дано:

$m(смеси\ KMnO_4\ и\ CaCO_3) = 11,32 \text{ г}$

$V(газов) = 3,36 \text{ л (н.у.)}$

Найти:

$\omega(KMnO_4)$ - ?

$\omega(CaCO_3)$ - ?

Решение:

При растворении смеси перманганата калия и мела (основной компонент - карбонат кальция $CaCO_3$) в избытке соляной кислоты протекают две реакции, в обеих из которых выделяются газообразные продукты.

1. Реакция карбоната кальция с соляной кислотой с выделением углекислого газа ($CO_2$):

$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

2. Окислительно-восстановительная реакция перманганата калия с соляной кислотой с выделением хлора ($Cl_2$):

$2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2KCl + 2MnCl_2 + 8H_2O + 5Cl_2\uparrow$

Общий объем выделившихся газов ($CO_2$ и $Cl_2$) составляет 3,36 л при нормальных условиях (н.у.). Найдем общее количество вещества (моль) газов, используя молярный объем газов при н.у., который составляет $V_m = 22,4$ л/моль:

$n(газов) = \frac{V(газов)}{V_m} = \frac{3,36 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,15 \text{ моль}$

Для нахождения масс компонентов в смеси составим систему уравнений. Пусть в исходной смеси содержалось $x$ моль $KMnO_4$ и $y$ моль $CaCO_3$.

Исходя из уравнений реакций, выразим количество вещества выделившихся газов через $x$ и $y$.

Из уравнения (2) следует, что из 2 моль $KMnO_4$ образуется 5 моль $Cl_2$. Значит:

$n(Cl_2) = \frac{5}{2} n(KMnO_4) = 2,5x \text{ моль}$

Из уравнения (1) следует, что из 1 моль $CaCO_3$ образуется 1 моль $CO_2$. Значит:

$n(CO_2) = n(CaCO_3) = y \text{ моль}$

Суммарное количество вещества газов равно:

$n(газов) = n(Cl_2) + n(CO_2) = 2,5x + y$

Таким образом, первое уравнение системы: $2,5x + y = 0,15$.

Второе уравнение системы получим из общей массы смеси. Для этого вычислим молярные массы $KMnO_4$ и $CaCO_3$:

$M(KMnO_4) = 39 + 55 + 4 \cdot 16 = 158 \text{ г/моль}$

$M(CaCO_3) = 40 + 12 + 3 \cdot 16 = 100 \text{ г/моль}$

Масса смеси равна сумме масс ее компонентов:

$m(смеси) = m(KMnO_4) + m(CaCO_3) = n(KMnO_4) \cdot M(KMnO_4) + n(CaCO_3) \cdot M(CaCO_3)$

Таким образом, второе уравнение системы: $158x + 100y = 11,32$.

Решим полученную систему уравнений:

$\begin{cases} 2,5x + y = 0,15 \\ 158x + 100y = 11,32 \end{cases}$

Из первого уравнения выразим $y$:

$y = 0,15 - 2,5x$

Подставим это выражение во второе уравнение:

$158x + 100(0,15 - 2,5x) = 11,32$

$158x + 15 - 250x = 11,32$

$15 - 11,32 = 250x - 158x$

$3,68 = 92x$

$x = \frac{3,68}{92} = 0,04 \text{ моль}$

Теперь найдем $y$:

$y = 0,15 - 2,5 \cdot 0,04 = 0,15 - 0,1 = 0,05 \text{ моль}$

Итак, в смеси содержалось:

$n(KMnO_4) = x = 0,04 \text{ моль}$

$n(CaCO_3) = y = 0,05 \text{ моль}$

Теперь найдем массы компонентов смеси:

$m(KMnO_4) = n(KMnO_4) \cdot M(KMnO_4) = 0,04 \text{ моль} \cdot 158 \text{ г/моль} = 6,32 \text{ г}$

$m(CaCO_3) = n(CaCO_3) \cdot M(CaCO_3) = 0,05 \text{ моль} \cdot 100 \text{ г/моль} = 5,00 \text{ г}$

Определим массовые доли ($\omega$) компонентов в смеси по формуле $\omega = \frac{m(компонента)}{m(смеси)} \cdot 100\%$:

$\omega(KMnO_4) = \frac{6,32 \text{ г}}{11,32 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 55,83\%$

$\omega(CaCO_3) = \frac{5,00 \text{ г}}{11,32 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 44,17\%$

Ответ: массовая доля перманганата калия в смеси составляет 55,83%, массовая доля мела (карбоната кальция) – 44,17%.

9.15. Что происходит при действии на твёрдый перманганат калия концентрированной серной кислоты? Запишите уравнение реакции.

При взаимодействии твёрдого перманганата калия ($KMnO_4$) с концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$) происходит образование высшего оксида марганца(VII) ($Mn_2O_7$). Этот процесс является опасным, так как продукт реакции — взрывчатое и химически агрессивное вещество.

Концентрированная серная кислота в данной реакции выполняет две функции: как сильная кислота она вытесняет более слабую марганцовую кислоту из её соли, и как сильное водоотнимающее средство она дегидратирует образовавшуюся марганцовую кислоту.

Реакция протекает постадийно:

1. На первой стадии происходит реакция ионного обмена между перманганатом калия и серной кислотой с образованием марганцовой кислоты ($HMnO_4$) и гидросульфата калия ($KHSO_4$), так как кислота используется в концентрированном виде и в избытке.

$KMnO_4 + H_2SO_4 \rightarrow HMnO_4 + KHSO_4$

2. Марганцовая кислота ($HMnO_4$) является очень неустойчивым соединением и в присутствии концентрированной серной кислоты, которая является мощным дегидратирующим агентом, немедленно теряет воду, превращаясь в свой ангидрид — оксид марганца(VII) ($Mn_2O_7$).

$2HMnO_4 \xrightarrow{H_2SO_4(конц.)} Mn_2O_7 + H_2O$

Оксид марганца(VII) — это тёмно-зелёная маслянистая жидкость, являющаяся одним из сильнейших окислителей. Он крайне нестабилен и может разлагаться со взрывом при нагревании, ударе или контакте с легкоокисляющимися веществами (например, спиртом, бумагой, ватой), вызывая их самовоспламенение.

Суммарное уравнение реакции, отражающее оба процесса, выглядит следующим образом:

$2KMnO_{4(тв.)} + 2H_2SO_{4(конц.)} \rightarrow Mn_2O_7 + 2KHSO_4 + H_2O$

Из-за высокой опасности данный эксперимент (получение "марганцового масла" или "зелёного масла") следует проводить с особой осторожностью, используя малые количества реагентов и обеспечивая эффективное охлаждение.

Ответ: При действии концентрированной серной кислоты на твёрдый перманганат калия образуется неустойчивый и взрывоопасный оксид марганца(VII) ($Mn_2O_7$), который представляет собой тёмно-зелёную маслянистую жидкость. Уравнение реакции: $2KMnO_4 + 2H_2SO_4 \rightarrow Mn_2O_7 + 2KHSO_4 + H_2O$.

9.16. Можно ли получить перманганат марганца(II)?

Решение

Получить перманганат марганца(II), химическая формула которого $Mn(MnO_4)_2$, в устойчивом виде практически невозможно.

Причина заключается в том, что в составе этого гипотетического соединения одновременно присутствуют ионы марганца в двух разных степенях окисления: катион марганца(II) ($Mn^{2+}$), который является восстановителем, и перманганат-анион ($MnO_4^-$), в котором марганец находится в высшей степени окисления +7 и является сильным окислителем.

Совместное присутствие сильного окислителя и восстановителя в одном веществе приводит к их немедленному взаимодействию — внутренней окислительно-восстановительной реакции (реакции сопропорционирования). В ходе этой реакции марганец в степени окисления +7 и марганец в степени окисления +2 переходят в промежуточную, более стабильную степень окисления +4, образуя диоксид марганца ($MnO_2$).

Эта реакция, известная как реакция Гюйяра, протекает самопроизвольно, особенно в водном растворе, и может быть представлена следующим уравнением:

$3Mn^{2+} + 2MnO_4^- + 2H_2O \rightarrow 5MnO_2 \downarrow + 4H^+$

Таким образом, любая попытка синтезировать перманганат марганца(II), например, путем реакции обмена между растворимой солью марганца(II) и перманганатом калия, приведет к образованию бурого осадка диоксида марганца, а не искомой соли. Из-за этой фундаментальной химической нестабильности перманганат марганца(II) не может быть выделен как индивидуальное химическое соединение.

Ответ:

Нет, получить перманганат марганца(II) в устойчивом виде невозможно. Это связано с тем, что катион марганца(II) ($Mn^{2+}$) является восстановителем, а перманганат-анион ($MnO_4^-$) — сильным окислителем. При их совместном нахождении происходит самопроизвольная реакция сопропорционирования с образованием более стабильного диоксида марганца ($MnO_2$).

9.17. Запишите уравнения реакций взаимодействия перманганата калия с сульфитом натрия в сильнощелочной, слабощелочной (нейтральной) и кислотной средах.

Перманганат калия ($KMnO_4$) является сильным окислителем, а сульфит натрия ($Na_2SO_3$) — восстановителем. В ходе окислительно-восстановительной реакции сульфит-ион ($SO_3^{2-}$, сера в степени окисления +4) окисляется до сульфат-иона ($SO_4^{2-}$, сера в степени окисления +6). Продукт восстановления марганца ($Mn^{+7}$) зависит от pH среды.

В сильнощелочной среде

В сильнощелочной среде перманганат-ион ($MnO_4^−$) восстанавливается до манганат-иона ($MnO_4^{2−}$), в котором марганец имеет степень окисления +6. Раствор изменяет цвет с фиолетового на зеленый.

Ответ: $2KMnO_4 + Na_2SO_3 + 2KOH \rightarrow 2K_2MnO_4 + Na_2SO_4 + H_2O$.

В слабощелочной (нейтральной) среде

В нейтральной или слабощелочной среде перманганат-ион ($MnO_4^−$) восстанавливается до диоксида марганца ($MnO_2$), который является нерастворимым веществом и выпадает в виде бурого осадка. Степень окисления марганца понижается до +4.

Ответ: $2KMnO_4 + 3Na_2SO_3 + H_2O \rightarrow 2MnO_2 \downarrow + 3Na_2SO_4 + 2KOH$.

В кислотной среде

В кислотной среде (например, в присутствии серной кислоты) перманганат-ион ($MnO_4^−$) восстанавливается до катиона марганца(II) ($Mn^{2+}$), что приводит к обесцвечиванию раствора. Степень окисления марганца понижается до +2.

Ответ: $2KMnO_4 + 5Na_2SO_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 5Na_2SO_4 + K_2SO_4 + 3H_2O$.