Страница 267 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют реакции, в ходе которых изменяются степени окисления атомов химических элементов. Проанализировав представленные уравнения, можно заключить, что к ОВР относятся реакции б) и г).

Рассмотрим каждую реакцию подробно.

Определим степени окисления всех элементов в реагентах и продуктах:

$\overset{+2}{Ca}\overset{+4}{C}\overset{-2}{O_3} \xrightarrow{t} \overset{+2}{Ca}\overset{-2}{O} + \overset{+4}{C}\overset{-2}{O_2}$

В ходе этой реакции степени окисления кальция ($+2$), углерода ($+4$) и кислорода ($-2$) не изменяются. Следовательно, данная реакция не является окислительно-восстановительной.

Ответ: Реакция не является окислительно-восстановительной.

Определим степени окисления элементов:

$\overset{+4}{C}\overset{-2}{O_2} + 2\overset{0}{Mg} \xrightarrow{t} 2\overset{+2}{Mg}\overset{-2}{O} + \overset{0}{C}$

В ходе реакции изменяются степени окисления магния и углерода:

$Mg^0 \rightarrow Mg^{+2}$

$C^{+4} \rightarrow C^0$

Магний ($Mg^0$) повышает свою степень окисления с 0 до $+2$, отдавая электроны. Он является восстановителем. Процесс отдачи электронов называется окислением.

Углерод ($C^{+4}$), входящий в состав диоксида углерода, понижает свою степень окисления с $+4$ до 0, принимая электроны. Он является окислителем. Процесс присоединения электронов называется восстановлением.

Составим электронные уравнения (электронный баланс):

$Mg^0 - 2e^- \rightarrow Mg^{+2}$ | 2 (процесс окисления)

$C^{+4} + 4e^- \rightarrow C^0$ | 1 (процесс восстановления)

Ответ: Реакция является окислительно-восстановительной. Окислитель: $CO_2$ (за счет $C^{+4}$), восстановитель: $Mg$. Процесс окисления: $Mg^0 - 2e^- \rightarrow Mg^{+2}$. Процесс восстановления: $C^{+4} + 4e^- \rightarrow C^0$.

Определим степени окисления элементов:

$\overset{+2}{Ba}(\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_3})_2 + \overset{+1}{Na_2}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4} \rightarrow 2\overset{+1}{Na}\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_3} + \overset{+2}{Ba}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4}$

Степени окисления всех элементов ($Ba, N, O, Na, S$) остаются неизменными. Это реакция ионного обмена, она не является окислительно-восстановительной.

Ответ: Реакция не является окислительно-восстановительной.

Определим степени окисления элементов:

$2\overset{0}{Al} + \overset{+3}{Cr_2}\overset{-2}{O_3} \xrightarrow{t} \overset{+3}{Al_2}\overset{-2}{O_3} + 2\overset{0}{Cr}$

В ходе реакции изменяются степени окисления алюминия и хрома:

$Al^0 \rightarrow Al^{+3}$

$Cr^{+3} \rightarrow Cr^0$

Алюминий ($Al^0$) повышает свою степень окисления с 0 до $+3$, отдавая электроны. Он является восстановителем. Процесс отдачи электронов называется окислением.

Хром ($Cr^{+3}$), входящий в состав оксида хрома(III), понижает свою степень окисления с $+3$ до 0, принимая электроны. Он является окислителем. Процесс присоединения электронов называется восстановлением.

Составим электронные уравнения (электронный баланс):

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ | 2 (процесс окисления)

$Cr^{+3} + 3e^- \rightarrow Cr^0$ | 2 (процесс восстановления)

Ответ: Реакция является окислительно-восстановительной. Окислитель: $Cr_2O_3$ (за счет $Cr^{+3}$), восстановитель: $Al$. Процесс окисления: $Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$. Процесс восстановления: $Cr^{+3} + 3e^- \rightarrow Cr^0$.

Решение

Реакция синтеза аммиака описывается уравнением: $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г)$

Дадим характеристику этой реакции по различным классификационным признакам.

По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции

В реакцию вступают два простых вещества (азот и водород), а в результате образуется одно сложное вещество (аммиак). Реакции, в которых из двух или более веществ образуется одно, более сложное, относятся к реакциям соединения.

Ответ: реакция соединения.

По изменению степеней окисления химических элементов

В ходе реакции изменяются степени окисления атомов азота и водорода. У азота степень окисления меняется с $0$ ($N_2^0$) до $-3$ ($N^{-3}H_3$), он принимает электроны и является окислителем. У водорода степень окисления меняется с $0$ ($H_2^0$) до $+1$ ($NH_3^{+1}$), он отдает электроны и является восстановителем. Реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, называются окислительно-восстановительными.

Ответ: окислительно-восстановительная реакция.

По направлению протекания

Реакция синтеза аммиака является обратимой, то есть протекает одновременно в прямом и обратном направлениях до установления химического равновесия. В уравнении реакции это обозначается знаком обратимости ($\rightleftharpoons$).

Ответ: обратимая реакция.

По тепловому эффекту

Синтез аммиака протекает с выделением теплоты. Тепловой эффект реакции составляет $\Delta H = -92,4 \text{ кДж/моль}$. Реакции, идущие с выделением теплоты, называются экзотермическими.

Ответ: экзотермическая реакция.

По участию катализатора

Реакция между азотом и водородом при обычных условиях практически не идет. Для ее осуществления необходимо использовать катализатор (например, пористое железо с различными промоторами). Реакции, протекающие с участием катализаторов, называются каталитическими.

Ответ: каталитическая реакция.

По агрегатному состоянию (фазовому составу)

Все участвующие в реакции вещества — азот, водород и аммиак — находятся в газообразном состоянии. Реакция, в которой все реагенты и продукты находятся в одной фазе, называется гомогенной. Однако, так как в процессе используется твердый катализатор (например, $Fe$), а реагенты являются газами, то сам каталитический процесс является гетерогенным. Таким образом, реакция является гомогенной по фазовому составу реагентов и продуктов, но гетерогенной каталитической.

Ответ: гомогенная, гетерогенная каталитическая.

Проанализируем каждое утверждение и обоснуем его истинность или ложность с помощью примеров.

а) к окислительно-восстановительным будут относиться все реакции ионного обмена;

Это утверждение является ложным. Реакции ионного обмена протекают в растворах электролитов и заключаются в обмене ионами между веществами. Важнейшей характеристикой таких реакций является то, что степени окисления элементов в их ходе не изменяются. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР), по определению, всегда сопровождаются изменением степеней окисления одного или нескольких элементов.

Пример: реакция между хлоридом натрия и нитратом серебра.

$Na^{+1}Cl^{-1} + Ag^{+1}N^{+5}O^{-2}_3 \rightarrow Ag^{+1}Cl^{-1}\downarrow + Na^{+1}N^{+5}O^{-2}_3$

Как видно из уравнения, ни один элемент не изменил свою степень окисления. Следовательно, это реакция ионного обмена, но не ОВР.

Ответ: утверждение ложно.

б) все реакции ионного обмена не будут являться окислительно-восстановительными;

Это утверждение является истинным. Как было показано в предыдущем пункте, суть реакций ионного обмена заключается в перераспределении уже существующих ионов без переноса электронов и, соответственно, без изменения степеней окисления. Это фундаментально отличает их от окислительно-восстановительных реакций.

Пример: реакция нейтрализации.

$H^{+1}Cl^{-1} + K^{+1}O^{-2}H^{+1} \rightarrow K^{+1}Cl^{-1} + H^{+1}_2O^{-2}$

Степени окисления всех атомов остаются неизменными.

Ответ: утверждение истинно.

в) все реакции замещения являются окислительно-восстановительными;

Это утверждение является истинным. Реакции замещения — это реакции, в ходе которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Простое вещество имеет нулевую степень окисления ($0$). Вступая в реакцию, его атомы образуют химическую связь и приобретают ненулевую степень окисления. Одновременно элемент, который вытесняют из сложного вещества, переходит в простое вещество, и его степень окисления становится равной нулю. Таким образом, всегда происходит изменение степеней окисления как минимум у двух элементов.

Пример: взаимодействие железа с раствором сульфата меди(II).

$\stackrel{0}{Fe} + \stackrel{+2}{Cu}SO_4 \rightarrow \stackrel{+2}{Fe}SO_4 + \stackrel{0}{Cu}\downarrow$

Железо повышает свою степень окисления с 0 до +2 (окисляется), а медь понижает с +2 до 0 (восстанавливается).

Ответ: утверждение истинно.

г) только некоторые реакции замещения являются окислительно-восстановительными реакциями;

Это утверждение является ложным, так как оно прямо противоречит истинному утверждению «в». Как было доказано, любая реакция замещения по своему механизму является окислительно-восстановительной, без исключений.

Ответ: утверждение ложно.

д) к окислительно-восстановительным реакциям относят те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество;

Это утверждение является истинным. Если в реакции соединения или разложения реагентом или продуктом является простое вещество (степень окисления атомов в котором равна 0), то реакция обязательно будет окислительно-восстановительной.

• Если простое вещество вступает в реакцию (реакция соединения), оно образует сложное вещество, и его атомы меняют степень окисления с 0 на ненулевую. Пример: $2\stackrel{0}{Mg} + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow 2\stackrel{+2}{Mg}\stackrel{-2}{O}$.
• Если простое вещество образуется в результате реакции (реакция разложения), значит, оно образовалось из элемента, который в исходном сложном веществе имел ненулевую степень окисления. Пример: $2K\stackrel{+1}{Cl}\stackrel{-2}{O}_3 \xrightarrow{t} 2K\stackrel{+1}{Cl} + 3\stackrel{0}{O}_2\uparrow$.

При этом реакции соединения и разложения, протекающие без участия простых веществ, как правило, не являются ОВР (например, $CaO + CO_2 \rightarrow CaCO_3$).

Ответ: утверждение истинно.

е) все реакции разложения и соединения не являются окислительно-восстановительными.

Это утверждение является ложным. Как показано в пункте «д», существует множество реакций этих типов, которые являются ОВР. Это те реакции, в которых участвуют простые вещества.

Примеры ОВР:

Реакция соединения: $\stackrel{0}{C} + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow \stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O}_2$.

Реакция разложения: $2H\stackrel{+1}{N}\stackrel{+5}{O}_3 \xrightarrow{t} 2\stackrel{+4}{N}\stackrel{-2}{O}_2 + \stackrel{0}{O}_2\uparrow + 2H_2O$.

Ответ: утверждение ложно.

Таким образом, истинными являются утверждения б), в), и д).

Решение

Данное утверждение не является полностью верным. Чтобы это обосновать, необходимо проанализировать степени окисления атома азота в каждом из соединений.

В молекуле азотной кислоты ($HNO_3$) атом азота имеет степень окисления +5. Это максимальная возможная степень окисления для азота. Следовательно, в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР) атом азота в $HNO_3$ может только понижать свою степень окисления, то есть принимать электроны. Вещество, принимающее электроны, является окислителем. Таким образом, в рамках ОВР азотная кислота может быть только окислителем.

Например, в реакции с медью:

$Cu + 4H\overset{+5}{N}O_3(\text{конц.}) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2\overset{+4}{N}O_2\uparrow + 2H_2O$

Однако, помимо окислительных, азотная кислота проявляет и кислотные свойства (например, в реакциях нейтрализации), которые не являются окислительно-восстановительными.

В молекуле аммиака ($NH_3$) атом азота имеет степень окисления -3. Это минимальная возможная степень окисления для азота. Следовательно, в ОВР атом азота в $NH_3$ может только повышать свою степень окисления, то есть отдавать электроны. Вещество, отдающее электроны, является восстановителем. Поэтому аммиак является типичным восстановителем.

Например, при каталитическом окислении:

$4\overset{-3}{N}H_3 + 5O_2 \xrightarrow{\text{Pt, t}} 4\overset{+2}{N}O + 6H_2O$

Тем не менее, утверждение, что аммиак проявляет только восстановительные свойства, неверно. В реакциях с очень активными металлами (например, щелочными) аммиак может выступать в роли окислителя за счет атомов водорода, которые имеют степень окисления +1 и могут ее понизить до 0.

Например, в реакции с натрием:

$2Na + 2N\overset{+1}{H}_3 \rightarrow 2NaNH_2 + \overset{0}{H}_2\uparrow$

В этой реакции водород ($H^{+1}$) восстанавливается, а значит, аммиак ($NH_3$) является окислителем.

Ответ: Нет, с утверждением согласиться нельзя. Азотная кислота ($HNO_3$) в окислительно-восстановительных реакциях действительно проявляет только окислительные свойства, так как азот в ней находится в высшей степени окисления +5. Однако аммиак ($NH_3$), в котором азот находится в низшей степени окисления -3, является типичным восстановителем, но в реакциях с активными металлами может выступать и в роли окислителя (за счет восстановления водорода $H^{+1}$).

Для определения окислительно-восстановительных свойств веществ необходимо проанализировать степени окисления атомов серы в сероводороде ($H_2S$) и серной кислоте ($H_2SO_4$). Свойства вещества зависят от того, в какой степени окисления — высшей, низшей или промежуточной — находится элемент.

Сера (S) — элемент 16-й группы (VIA-группы) периодической системы. Её минимальная (низшая) степень окисления равна -2, а максимальная (высшая) — +6.

Сероводород $H_2S$

В молекуле сероводорода степень окисления водорода равна +1. Так как молекула электронейтральна, сумма степеней окисления всех атомов равна нулю. Рассчитаем степень окисления серы ($x$):

$2 \cdot (+1) + x = 0$

$x = -2$

Степень окисления серы в $H_2S$ равна -2. Это низшая возможная степень окисления для серы. Атом в низшей степени окисления может только отдавать электроны, то есть окисляться, повышая свою степень окисления. Следовательно, сероводород может проявлять только восстановительные свойства.

Серная кислота $H_2SO_4$

В молекуле серной кислоты степень окисления водорода равна +1, а кислорода — -2. Рассчитаем степень окисления серы ($y$):

$2 \cdot (+1) + y + 4 \cdot (-2) = 0$

$2 + y - 8 = 0$

$y = +6$

Степень окисления серы в $H_2SO_4$ равна +6. Это высшая возможная степень окисления для серы. Атом в высшей степени окисления может только принимать электроны, то есть восстанавливаться, понижая свою степень окисления. Следовательно, серная кислота (за счёт атома серы) может проявлять только окислительные свойства.

Ответ: Только восстановительные свойства проявляет сероводород ($H_2S$), поскольку атом серы в нём находится в низшей степени окисления (-2) и может только отдавать электроны. Только окислительные свойства проявляет серная кислота ($H_2SO_4$), поскольку атом серы в ней находится в высшей степени окисления (+6) и может только принимать электроны.