Страница 214 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Что такое степень окисления?

Степень окисления — это условный (гипотетический) заряд атома в химическом соединении, вычисленный из предположения, что все связи в этом соединении являются ионными. Иными словами, это формальная величина, которая показывает, сколько электронов атом условно отдал или принял, образуя химическую связь.

Степень окисления является важным понятием в химии, которое используется для:

• Классификации веществ;
• Составления названий неорганических соединений;
• Описания и уравнивания окислительно-восстановительных реакций (ОВР);
• Оценки окислительных или восстановительных свойств атомов в соединении.

Степень окисления может быть положительной, отрицательной или равной нулю.

• Положительная степень окисления означает, что атом условно отдал электроны. Она характерна для металлов и менее электроотрицательных неметаллов в соединениях. Например, в соединении $NaCl$ натрий имеет степень окисления $+1$ ($Na^{+1}$).
• Отрицательная степень окисления означает, что атом условно принял электроны. Она характерна для более электроотрицательных неметаллов. Например, в том же $NaCl$ хлор имеет степень окисления $-1$ ($Cl^{-1}$).
• Нулевая степень окисления присваивается атомам в простых веществах. Например, в молекулах $O_2$, $H_2$, $Cl_2$ и в кристалле железа $Fe$ все атомы имеют степень окисления $0$.

Для определения степени окисления атомов в соединении существуют следующие правила:

1. Степень окисления атомов в простых веществах равна нулю (например, $Cu^0, O_2^0, P_4^0$).
2. Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.
3. Сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду этого иона.
4. Фтор (F), как самый электроотрицательный элемент, во всех соединениях имеет степень окисления $-1$.
5. Щелочные металлы (Li, Na, K и др.) в соединениях всегда имеют степень окисления $+1$.
6. Щелочноземельные металлы (Mg, Ca, Ba и др.) в соединениях всегда имеют степень окисления $+2$.
7. Водород (H) в большинстве соединений имеет степень окисления $+1$. Исключение составляют гидриды металлов (например, $NaH, CaH_2$), где его степень окисления равна $-1$.
8. Кислород (O) в большинстве соединений имеет степень окисления $-2$. Исключения: в пероксидах (например, $H_2O_2$) степень окисления кислорода равна $-1$; в надпероксидах (супероксидах, например, $KO_2$) – $-1/2$; во фториде кислорода ($OF_2$) – $+2$.

Пример расчета степени окисления:

Найдем степень окисления серы (S) в серной кислоте $H_2SO_4$.

Молекула электронейтральна, значит, сумма всех степеней окисления равна 0. Степень окисления водорода (H) равна $+1$, а кислорода (O) равна $-2$. Пусть степень окисления серы (S) равна $x$.

Составляем уравнение: $2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$

$2 + x - 8 = 0$

$x = +6$

Таким образом, в серной кислоте степени окисления элементов следующие: $H_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2}$.

Ответ: Степень окисления — это условный заряд атома в молекуле, рассчитанный исходя из допущения, что все химические связи в ней являются ионными. Эта величина используется для классификации соединений и описания окислительно-восстановительных процессов.

2. Определите степени окисления элементов в следующих соединениях: $Li_2O$, $Na_2O_2$, $H_2S$, $LiH$, $P_2O_5$, $K_2Cr_2O_7$.

Дано:

Соединения: $Li_2O, Na_2O_2, H_2S, LiH, P_2O_5, K_2Cr_2O_7$.

Найти:

Степени окисления всех элементов в каждом соединении.

Решение:

Для определения степеней окисления элементов в химических соединениях будем использовать следующие основные правила:

• Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.
• Степень окисления щелочных металлов (Li, Na, K и др.) в соединениях всегда равна +1.
• Степень окисления водорода (H) в большинстве соединений равна +1. Исключение составляют гидриды металлов (например, LiH), где его степень окисления равна -1.
• Степень окисления кислорода (O) в большинстве соединений равна -2. Исключениями являются пероксиды (например, $Na_2O_2$), где она равна -1, и соединения с фтором (например, $OF_2$), где она положительна.

Li₂O

Это оксид лития. Степень окисления лития (Li), как щелочного металла, постоянна и равна +1. Молекула электронейтральна, значит, сумма степеней окисления равна нулю. Пусть степень окисления кислорода (O) равна $x$.
Составим и решим уравнение:
$2 \cdot (+1) + 1 \cdot x = 0$
$2 + x = 0$
$x = -2$
Степень окисления кислорода равна -2.
Ответ: $Li_2^{+1}O^{-2}$.

Na₂O₂

Это пероксид натрия. Степень окисления натрия (Na), как щелочного металла, равна +1. Пусть степень окисления кислорода (O) равна $x$.
Составим уравнение для электронейтральной молекулы:
$2 \cdot (+1) + 2 \cdot x = 0$
$2 + 2x = 0$
$2x = -2$
$x = -1$
Степень окисления кислорода в пероксидах равна -1.
Ответ: $Na_2^{+1}O_2^{-1}$.

H₂S

Это сероводород. Водород (H) в соединениях с неметаллами имеет степень окисления +1. Пусть степень окисления серы (S) равна $x$.
Составим уравнение:
$2 \cdot (+1) + 1 \cdot x = 0$
$2 + x = 0$
$x = -2$
Степень окисления серы равна -2.
Ответ: $H_2^{+1}S^{-2}$.

LiH

Это гидрид лития. В гидридах металлов степень окисления водорода (H) равна -1. Степень окисления лития (Li) всегда +1.
Проверим по правилу суммы: $1 \cdot (+1) + 1 \cdot (-1) = 1 - 1 = 0$. Правило выполняется.
Ответ: $Li^{+1}H^{-1}$.

P₂O₅

Это оксид фосфора(V). Степень окисления кислорода (O) в оксидах равна -2. Пусть степень окисления фосфора (P) равна $x$.
Составим уравнение:
$2 \cdot x + 5 \cdot (-2) = 0$
$2x - 10 = 0$
$2x = 10$
$x = +5$
Степень окисления фосфора равна +5.
Ответ: $P_2^{+5}O_5^{-2}$.

K₂Cr₂O₇

Это дихромат калия. Степень окисления калия (K), как щелочного металла, равна +1. Степень окисления кислорода (O) равна -2. Пусть степень окисления хрома (Cr) равна $x$.
Составим уравнение:
$2 \cdot (+1) + 2 \cdot x + 7 \cdot (-2) = 0$
$2 + 2x - 14 = 0$
$2x - 12 = 0$
$2x = 12$
$x = +6$
Степень окисления хрома равна +6.
Ответ: $K_2^{+1}Cr_2^{+6}O_7^{-2}$.

3. Составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций:

а) алюминия с кислородом;

б) железа с хлором;

в) натрия с серой.

Укажите окислитель и восстановитель.

а) алюминия с кислородом

Решение:

При взаимодействии простого вещества алюминия с простым веществом кислородом образуется оксид алюминия. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой алюминий повышает свою степень окисления, а кислород — понижает.

Запишем уравнение реакции, расставив степени окисления у каждого элемента:

$4\overset{0}{Al} + 3\overset{0}{O}_2 \rightarrow 2\overset{+3}{Al}_2\overset{-2}{O}_3$

Составим электронный баланс, чтобы определить окислитель и восстановитель:

$\overset{0}{Al} - 3e^- \rightarrow \overset{+3}{Al}$ | 4 | процесс окисления
$\overset{0}{O}_2 + 4e^- \rightarrow 2\overset{-2}{O}$ | 3 | процесс восстановления

Алюминий ($Al$) отдает электроны, то есть окисляется, и является восстановителем. Кислород ($O_2$) принимает электроны, то есть восстанавливается, и является окислителем.

Ответ: Уравнение реакции: $4Al + 3O_2 = 2Al_2O_3$. Алюминий (Al) — восстановитель, кислород (O₂) — окислитель.

б) железа с хлором

Решение:

При взаимодействии железа с сильным окислителем, таким как хлор, образуется соль — хлорид железа(III). В этой реакции железо отдает электроны, а хлор их принимает.

Запишем уравнение реакции со степенями окисления:

$2\overset{0}{Fe} + 3\overset{0}{Cl}_2 \rightarrow 2\overset{+3}{Fe}\overset{-1}{Cl}_3$

Составим электронный баланс:

$\overset{0}{Fe} - 3e^- \rightarrow \overset{+3}{Fe}$ | 2 | процесс окисления
$\overset{0}{Cl}_2 + 2e^- \rightarrow 2\overset{-1}{Cl}$ | 3 | процесс восстановления

Железо ($Fe$) отдает электроны, повышая степень окисления с 0 до +3. Следовательно, железо — восстановитель. Хлор ($Cl_2$) принимает электроны, понижая степень окисления с 0 до -1, и является окислителем.

Ответ: Уравнение реакции: $2Fe + 3Cl_2 = 2FeCl_3$. Железо (Fe) — восстановитель, хлор (Cl₂) — окислитель.

в) натрия с серой

Решение:

Активный металл натрий реагирует с неметаллом серой при нагревании с образованием соли — сульфида натрия. Это также окислительно-восстановительный процесс.

Запишем уравнение реакции, указав степени окисления:

$2\overset{0}{Na} + \overset{0}{S} \rightarrow \overset{+1}{Na}_2\overset{-2}{S}$

Составим электронный баланс для этой реакции:

$\overset{0}{Na} - 1e^- \rightarrow \overset{+1}{Na}$ | 2 | процесс окисления
$\overset{0}{S} + 2e^- \rightarrow \overset{-2}{S}$ | 1 | процесс восстановления

Натрий ($Na$) отдает электрон, его степень окисления повышается с 0 до +1. Натрий является восстановителем. Сера ($S$) принимает два электрона, ее степень окисления понижается с 0 до -2. Сера является окислителем.

Ответ: Уравнение реакции: $2Na + S = Na_2S$. Натрий (Na) — восстановитель, сера (S) — окислитель.

4. При взаимодействии водорода с оксидом меди(II) образовалось 0,1 моль меди. Вычислите:

а) массу образовавшейся меди;

б) массу и количество вещества оксида меди(II), вступившего в реакцию.

Дано:

ν(Cu) = 0,1 моль

Найти:

а) m(Cu) - ?

б) m(CuO) - ?, ν(CuO) - ?

Решение:

1. Составим уравнение химической реакции восстановления оксида меди(II) водородом. Оксид меди(II) имеет формулу CuO.

$CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O$

2. Из уравнения реакции видно, что стехиометрические коэффициенты перед оксидом меди(II) и медью равны 1. Это означает, что их количества вещества соотносятся как 1:1.

$ \frac{\nu(CuO)}{1} = \frac{\nu(Cu)}{1} $

Следовательно, количество вещества оксида меди(II), вступившего в реакцию, равно количеству вещества образовавшейся меди.

а) массу образовавшейся меди

Масса вещества (m) связана с его количеством вещества ($\nu$) и молярной массой (M) формулой: $m = \nu \cdot M$.

Найдём молярную массу меди (Cu) по периодической таблице. Округлим до целого значения.

$M(Cu) \approx 64 \text{ г/моль}$

Теперь вычислим массу меди, которая образовалась в ходе реакции:

$m(Cu) = \nu(Cu) \cdot M(Cu) = 0,1 \text{ моль} \cdot 64 \text{ г/моль} = 6,4 \text{ г}$

Ответ: масса образовавшейся меди равна 6,4 г.

б) массу и количество вещества оксида меди(II), вступившего в реакцию

Как было установлено из уравнения реакции, количество вещества оксида меди(II) равно количеству вещества меди:

$\nu(CuO) = \nu(Cu) = 0,1 \text{ моль}$

Для вычисления массы оксида меди(II) сначала найдем его молярную массу $M(CuO)$:

$M(CuO) = M(Cu) + M(O) \approx 64 \text{ г/моль} + 16 \text{ г/моль} = 80 \text{ г/моль}$

Теперь вычислим массу оксида меди(II), вступившего в реакцию:

$m(CuO) = \nu(CuO) \cdot M(CuO) = 0,1 \text{ моль} \cdot 80 \text{ г/моль} = 8,0 \text{ г}$

Ответ: количество вещества оксида меди(II) равно 0,1 моль; масса оксида меди(II) равна 8,0 г.

5. В реакции образовалось 4 г оксида меди(II). Вычислите:

а) массу и количество вещества меди, вступившей в реакцию;

б) массу и количество вещества израсходованного кислорода.

Дано:

$m(\text{CuO}) = 4 \text{ г}$

Найти:

а) $m(\text{Cu}) - ?$, $n(\text{Cu}) - ?$

б) $m(\text{O}_2) - ?$, $n(\text{O}_2) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции горения меди в кислороде с образованием оксида меди(II) и расставим коэффициенты:

$2\text{Cu} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CuO}$

2. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в реакции. Для этого воспользуемся периодической таблицей химических элементов Д.И. Менделеева, округляя атомные массы до целых значений: $Ar(\text{Cu}) \approx 64$, $Ar(\text{O}) \approx 16$.

Молярная масса меди: $M(\text{Cu}) = 64 \text{ г/моль}$

Молярная масса кислорода: $M(\text{O}_2) = 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль}$

Молярная масса оксида меди(II): $M(\text{CuO}) = 64 + 16 = 80 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (число моль) образовавшегося оксида меди(II) по формуле $n = \frac{m}{M}$:

$n(\text{CuO}) = \frac{m(\text{CuO})}{M(\text{CuO})} = \frac{4 \text{ г}}{80 \text{ г/моль}} = 0.05 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции найдем количество вещества и массу реагентов.

а) массу и количество вещества меди, вступившей в реакцию

Из уравнения реакции видно, что на 2 моль оксида меди(II) приходится 2 моль меди. Таким образом, их количества веществ соотносятся как 2:2, или 1:1.

$\frac{n(\text{Cu})}{2} = \frac{n(\text{CuO})}{2} \implies n(\text{Cu}) = n(\text{CuO})$

Следовательно, количество вещества меди равно:

$n(\text{Cu}) = 0.05 \text{ моль}$

Теперь вычислим массу меди, вступившей в реакцию, по формуле $m = n \cdot M$:

$m(\text{Cu}) = n(\text{Cu}) \cdot M(\text{Cu}) = 0.05 \text{ моль} \cdot 64 \text{ г/моль} = 3.2 \text{ г}$

Ответ: масса меди, вступившей в реакцию, составляет 3,2 г, а количество вещества - 0,05 моль.

б) массу и количество вещества израсходованного кислорода

Из уравнения реакции видно, что на 2 моль оксида меди(II) приходится 1 моль кислорода. Их количества веществ соотносятся как 1:2.

$\frac{n(\text{O}_2)}{1} = \frac{n(\text{CuO})}{2}$

Отсюда находим количество вещества кислорода:

$n(\text{O}_2) = \frac{n(\text{CuO})}{2} = \frac{0.05 \text{ моль}}{2} = 0.025 \text{ моль}$

Теперь вычислим массу израсходованного кислорода:

$m(\text{O}_2) = n(\text{O}_2) \cdot M(\text{O}_2) = 0.025 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 0.8 \text{ г}$

Ответ: масса израсходованного кислорода составляет 0,8 г, а количество вещества - 0,025 моль.