Страница 83 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какие реакции называют окислительно-восстановительными? Дайте определения понятий «окислитель», «восстановитель», «окисление», «восстановление» с позиций электронной теории.

Окислительно-восстановительные реакции

Это химические реакции, которые протекают с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Согласно электронной теории, это изменение происходит в результате полного или частичного перехода электронов от одних атомов, молекул или ионов к другим. Таким образом, любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных процессов: окисления и восстановления.

Ответ: Окислительно-восстановительные реакции — это реакции, в ходе которых происходит изменение степеней окисления атомов из-за перехода электронов от восстановителя к окислителю.

Окислитель

С позиции электронной теории, окислитель — это атом, молекула или ион, который в ходе химической реакции принимает (присоединяет) электроны. В результате этого процесса степень окисления окислителя понижается. Например, в реакции взаимодействия цинка с соляной кислотой $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$, ионы водорода $H^+$ являются окислителями, так как они принимают электроны: $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0$.

Ответ: Окислитель — это частица (атом, ион или молекула), которая принимает электроны в ходе реакции, понижая при этом свою степень окисления.

Восстановитель

С позиции электронной теории, восстановитель — это атом, молекула или ион, который в ходе химической реакции отдает электроны. В результате этого процесса степень окисления восстановителя повышается. В приведенном выше примере ($Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$), атомы цинка $Zn$ являются восстановителем, так как они отдают электроны: $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$.

Ответ: Восстановитель — это частица (атом, ион или молекула), которая отдает электроны в ходе реакции, повышая при этом свою степень окисления.

Окисление

С позиции электронной теории, окисление — это процесс отдачи электронов восстановителем. Этот процесс всегда сопровождается повышением степени окисления элемента. Окисление и восстановление — это два неразрывно связанных процесса, протекающих одновременно.

Процесс окисления: $Восстановитель - ne^- \rightarrow Окисленная\ форма$.

Ответ: Окисление — это процесс отдачи электронов, который приводит к повышению степени окисления.

Восстановление

С позиции электронной теории, восстановление — это процесс присоединения электронов окислителем. Этот процесс всегда сопровождается понижением степени окисления элемента. Невозможно представить себе процесс восстановления без одновременного процесса окисления.

Процесс восстановления: $Окислитель + ne^- \rightarrow Восстановленная\ форма$.

Ответ: Восстановление — это процесс присоединения электронов, который приводит к понижению степени окисления.

2. Какую величину называют степенью окисления? Основываясь на положении элементов в Периодической системе, обоснуйте расстановку степеней окисления в формулах веществ, приведённых ниже:

$\overset{0}{\text{H}}_2$, $\overset{+1}{\text{H}}_2\overset{-2}{\text{O}}$, $\overset{0}{\text{O}}_2$, $\overset{+2}{\text{Ca}}\overset{-2}{\text{O}}$, $\overset{+1}{\text{Na}}_2\overset{-2}{\text{O}}$, $\overset{0}{\text{Cl}}_2$, $\overset{+1}{\text{H}}\overset{-1}{\text{Cl}}$, $\overset{+1}{\text{Na}}\overset{-1}{\text{Cl}}$, $\overset{+3}{\text{Al}}\overset{-1}{\text{Cl}}_3$, $\overset{+1}{\text{Cl}}_2\overset{-2}{\text{O}}$, $\overset{+1}{\text{H}}_2\overset{-2}{\text{S}}$, $\overset{+2}{\text{Mg}}\overset{-2}{\text{S}}$, $\overset{0}{\text{Al}}$, $\overset{+3}{\text{Al}}\overset{-3}{\text{P}}$.

Степенью окисления называют условный заряд атома в химическом соединении, вычисленный на основе предположения, что все связи в этом соединении являются ионными (то есть все связывающие электронные пары полностью смещены в сторону более электроотрицательных атомов). Это чисто формальная величина, которая помогает описывать окислительно-восстановительные реакции и классифицировать вещества.

Обоснование расстановки степеней окисления в приведённых формулах основывается на положении элементов в Периодической системе и ряде правил определения степеней окисления:

H₂

Водород — это простое вещество, молекула которого состоит из атомов одного химического элемента. Связь между атомами является ковалентной неполярной, поэтому смещения электронной плотности не происходит. Степень окисления атомов в простых веществах всегда равна нулю.

Ответ: $\overset{0}{H_2}$

H₂O

Кислород (O) находится в VIA группе и является более электроотрицательным элементом, чем водород (H) из IA группы. Поэтому кислород принимает 2 электрона, и его степень окисления равна -2 (типичная для оксидов). Водород отдаёт 1 электрон, и его степень окисления +1. Молекула электронейтральна: $2 \cdot (+1) + 1 \cdot (-2) = 0$.

Ответ: $\overset{+1}{H_2}\overset{-2}{O}$

O₂

Кислород — это простое вещество, образованное атомами одного элемента. Степень окисления каждого атома кислорода равна нулю.

Ответ: $\overset{0}{O_2}$

CaO

Кальций (Ca) — металл IIA группы (щелочноземельный), его постоянная степень окисления в соединениях равна +2. Кислород в оксидах обычно имеет степень окисления -2. Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю: $(+2) + (-2) = 0$.

Ответ: $\overset{+2}{Ca}\overset{-2}{O}$

Na₂O

Натрий (Na) — металл IA группы (щелочной), его постоянная степень окисления в соединениях равна +1. Степень окисления кислорода в оксидах -2. Сумма степеней окисления в молекуле: $2 \cdot (+1) + (-2) = 0$.

Ответ: $\overset{+1}{Na_2}\overset{-2}{O}$

Cl₂

Хлор — это простое вещество, состоящее из атомов одного элемента. Степень окисления каждого атома хлора равна нулю.

Ответ: $\overset{0}{Cl_2}$

HCl

Хлор (Cl) находится в VIIA группе и является более электроотрицательным элементом, чем водород (H). Поэтому хлор принимает электрон, и его степень окисления равна -1. Водород, соответственно, отдаёт электрон и имеет степень окисления +1. Сумма степеней окисления: $(+1) + (-1) = 0$.

Ответ: $\overset{+1}{H}\overset{-1}{Cl}$

NaCl

Натрий (Na) — щелочной металл (IA группа) с постоянной степенью окисления +1. Хлор (Cl) — галоген (VIIA группа). В соединениях с металлами он проявляет свою низшую степень окисления, равную -1. Сумма степеней окисления: $(+1) + (-1) = 0$.

Ответ: $\overset{+1}{Na}\overset{-1}{Cl}$

AlCl₃

Алюминий (Al) — металл IIIA группы, его постоянная степень окисления в соединениях равна +3. Хлор (Cl) в соединении с менее электроотрицательным алюминием проявляет степень окисления -1. Молекула электронейтральна: $(+3) + 3 \cdot (-1) = 0$.

Ответ: $\overset{+3}{Al}\overset{-1}{Cl_3}$

Cl₂O

Кислород (O) является более электроотрицательным элементом, чем хлор (Cl). Поэтому степень окисления кислорода равна -2. Так как молекула электронейтральна, суммарная степень окисления равна 0. Степень окисления хлора ($x$) находится из уравнения: $2x + (-2) = 0$, откуда $x = +1$.

Ответ: $\overset{+1}{Cl_2}\overset{-2}{O}$

H₂S

Сера (S) находится в VIA группе и более электроотрицательна, чем водород (H). В соединениях с водородом и металлами сера проявляет свою низшую степень окисления, равную (номер группы - 8), то есть $6 - 8 = -2$. Степень окисления водорода +1. Проверка: $2 \cdot (+1) + (-2) = 0$.

Ответ: $\overset{+1}{H_2}\overset{-2}{S}$

MgS

Магний (Mg) — металл IIA группы, его постоянная степень окисления +2. Сера (S) из VIA группы в соединении с металлом проявляет низшую степень окисления -2. Сумма степеней окисления: $(+2) + (-2) = 0$.

Ответ: $\overset{+2}{Mg}\overset{-2}{S}$

Al

Алюминий — это простое вещество (металл). Степень окисления атомов в простых веществах всегда равна нулю.

Ответ: $\overset{0}{Al}$

AlP

Алюминий (Al) — металл IIIA группы, его постоянная степень окисления +3. Фосфор (P) находится в VA группе. В соединении с металлом он проявляет низшую степень окисления, равную (номер группы - 8), то есть $5 - 8 = -3$. Сумма степеней окисления: $(+3) + (-3) = 0$.

Ответ: $\overset{+3}{Al}\overset{-3}{P}$

3. По формулам веществ определите степени окисления: а) водорода; б) кислорода; в) хлора; г) азота; д) серы; е) железа; ж) марганца.

а) $H_2$, $H_2O$, $HCl$, $NaOH$, $NaH$;

б) $H_2O$, $NO_2$, $H_2O_2$, $O_3$;

в) $HCl$, $Cl_2$, $CuCl_2$, $KClO_3$;

г) $N_2$, $NH_3$, $NO_2$, $HNO_3$;

д) $SO_2$, $S$, $H_2SO_4$, $H_2S$;

е) $FeO$, $Fe_2O_3$, $Fe(OH)_2$, $Fe_2(SO_4)_3$;

ж) $KMnO_4$, $K_2MnO_4$, $MnO_2$, $MnSO_4$.

а) водорода Дано: $H_2, H_2O, HCl, NaOH, NaH$.

Найти: Степень окисления водорода (H) в каждом соединении.

Решение:

Для определения степеней окисления будем использовать следующие правила: сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна 0; степень окисления элемента в простом веществе равна 0; степень окисления щелочных металлов (Na) в соединениях равна +1, кислорода (кроме пероксидов и соединений с фтором) равна -2, хлора в соляной кислоте равна -1.

В $H_2$: водород является простым веществом, поэтому его степень окисления равна 0 ($H_2^0$).

В $H_2O$: степень окисления кислорода равна -2. Пусть степень окисления водорода равна $x$. Тогда $2 \cdot x + (-2) = 0$, откуда $x = +1$ ($H_2^{+1}O^{-2}$).

В $HCl$: степень окисления хлора, как более электроотрицательного элемента, равна -1. Пусть степень окисления водорода равна $x$. Тогда $x + (-1) = 0$, откуда $x = +1$ ($H^{+1}Cl^{-1}$).

В $NaOH$: степень окисления натрия +1, кислорода -2. Пусть степень окисления водорода равна $x$. Тогда $(+1) + (-2) + x = 0$, откуда $x = +1$ ($Na^{+1}O^{-2}H^{+1}$).

В $NaH$ (гидрид натрия): водород соединен с активным металлом, поэтому его степень окисления -1. Степень окисления натрия +1. Проверка: $(+1) + (-1) = 0$ ($Na^{+1}H^{-1}$).

Ответ: в $H_2$ – 0, в $H_2O$ – +1, в $HCl$ – +1, в $NaOH$ – +1, в $NaH$ – -1.

б) кислорода Дано: $H_2O, NO_2, H_2O_2, O_3$.

Найти: Степень окисления кислорода (O) в каждом соединении.

Решение:

В $H_2O$: степень окисления водорода равна +1. Пусть степень окисления кислорода равна $x$. Тогда $2 \cdot (+1) + x = 0$, откуда $x = -2$ ($H_2^{+1}O^{-2}$).

В $NO_2$: как правило, в оксидах степень окисления кислорода равна -2. Пусть степень окисления азота $y$. Тогда $y + 2 \cdot (-2) = 0$, откуда $y = +4$. Это возможная степень окисления для азота. Значит, степень окисления кислорода -2 ($N^{+4}O_2^{-2}$).

В $H_2O_2$ (пероксид водорода): это исключение, в пероксидах степень окисления кислорода равна -1. Степень окисления водорода +1. Проверка: $2 \cdot (+1) + 2 \cdot (-1) = 0$ ($H_2^{+1}O_2^{-1}$).

В $O_3$ (озон): это простое вещество (аллотропная модификация кислорода), поэтому степень окисления кислорода равна 0 ($O_3^0$).

Ответ: в $H_2O$ – -2, в $NO_2$ – -2, в $H_2O_2$ – -1, в $O_3$ – 0.

в) хлора Дано: $HCl, Cl_2, CuCl_2, KClO_3$.

Найти: Степень окисления хлора (Cl) в каждом соединении.

Решение:

В $HCl$: степень окисления водорода +1. Пусть степень окисления хлора равна $x$. Тогда $(+1) + x = 0$, откуда $x = -1$ ($H^{+1}Cl^{-1}$).

В $Cl_2$: это простое вещество, поэтому степень окисления хлора равна 0 ($Cl_2^0$).

В $CuCl_2$ (хлорид меди(II)): в бинарных солях галогены с менее электроотрицательными элементами имеют степень окисления -1. Пусть степень окисления меди $y$. Тогда $y + 2 \cdot (-1) = 0$, откуда $y = +2$. Это характерная степень окисления для меди, значит, у хлора -1 ($Cu^{+2}Cl_2^{-1}$).

В $KClO_3$ (хлорат калия): степень окисления калия (щелочной металл) +1, кислорода -2. Пусть степень окисления хлора равна $x$. Тогда $(+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$, откуда $1 + x - 6 = 0$, $x = +5$ ($K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2}$).

Ответ: в $HCl$ – -1, в $Cl_2$ – 0, в $CuCl_2$ – -1, в $KClO_3$ – +5.

г) азота Дано: $N_2, NH_3, NO_2, HNO_3$.

Найти: Степень окисления азота (N) в каждом соединении.

Решение:

В $N_2$: это простое вещество, поэтому степень окисления азота равна 0 ($N_2^0$).

В $NH_3$ (аммиак): степень окисления водорода в соединениях с неметаллами +1. Пусть степень окисления азота равна $x$. Тогда $x + 3 \cdot (+1) = 0$, откуда $x = -3$ ($N^{-3}H_3^{+1}$).

В $NO_2$ (оксид азота(IV)): степень окисления кислорода -2. Пусть степень окисления азота равна $x$. Тогда $x + 2 \cdot (-2) = 0$, откуда $x = +4$ ($N^{+4}O_2^{-2}$).

В $HNO_3$ (азотная кислота): степень окисления водорода +1, кислорода -2. Пусть степень окисления азота равна $x$. Тогда $(+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$, откуда $1 + x - 6 = 0$, $x = +5$ ($H^{+1}N^{+5}O_3^{-2}$).

Ответ: в $N_2$ – 0, в $NH_3$ – -3, в $NO_2$ – +4, в $HNO_3$ – +5.

д) серы Дано: $SO_2, S, H_2SO_4, H_2S$.

Найти: Степень окисления серы (S) в каждом соединении.

Решение:

В $SO_2$ (оксид серы(IV)): степень окисления кислорода -2. Пусть степень окисления серы равна $x$. Тогда $x + 2 \cdot (-2) = 0$, откуда $x = +4$ ($S^{+4}O_2^{-2}$).

В $S$: это простое вещество, поэтому степень окисления серы равна 0 ($S^0$).

В $H_2SO_4$ (серная кислота): степень окисления водорода +1, кислорода -2. Пусть степень окисления серы равна $x$. Тогда $2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$, откуда $2 + x - 8 = 0$, $x = +6$ ($H_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2}$).

В $H_2S$ (сероводород): степень окисления водорода +1. Пусть степень окисления серы равна $x$. Тогда $2 \cdot (+1) + x = 0$, откуда $x = -2$ ($H_2^{+1}S^{-2}$).

Ответ: в $SO_2$ – +4, в $S$ – 0, в $H_2SO_4$ – +6, в $H_2S$ – -2.

е) железа Дано: $FeO, Fe_2O_3, Fe(OH)_2, Fe_2(SO_4)_3$.

Найти: Степень окисления железа (Fe) в каждом соединении.

Решение:

В $FeO$ (оксид железа(II)): степень окисления кислорода -2. Пусть степень окисления железа равна $x$. Тогда $x + (-2) = 0$, откуда $x = +2$ ($Fe^{+2}O^{-2}$).

В $Fe_2O_3$ (оксид железа(III)): степень окисления кислорода -2. Пусть степень окисления железа равна $x$. Тогда $2x + 3 \cdot (-2) = 0$, откуда $2x = 6$, $x = +3$ ($Fe_2^{+3}O_3^{-2}$).

В $Fe(OH)_2$ (гидроксид железа(II)): гидроксид-ион ($OH^−$) имеет суммарный заряд -1. Пусть степень окисления железа равна $x$. Тогда $x + 2 \cdot (-1) = 0$, откуда $x = +2$ ($Fe^{+2}(OH)_2^{-1}$).

В $Fe_2(SO_4)_3$ (сульфат железа(III)): сульфат-ион ($SO_4^{2−}$) имеет суммарный заряд -2. Пусть степень окисления железа равна $x$. Тогда $2x + 3 \cdot (-2) = 0$, откуда $2x = 6$, $x = +3$ ($Fe_2^{+3}(SO_4)_3^{-2}$).

Ответ: в $FeO$ – +2, в $Fe_2O_3$ – +3, в $Fe(OH)_2$ – +2, в $Fe_2(SO_4)_3$ – +3.

ж) марганца Дано: $KMnO_4, K_2MnO_4, MnO_2, MnSO_4$.

Найти: Степень окисления марганца (Mn) в каждом соединении.

Решение:

В $KMnO_4$ (перманганат калия): степень окисления калия +1, кислорода -2. Пусть степень окисления марганца равна $x$. Тогда $(+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$, откуда $1 + x - 8 = 0$, $x = +7$ ($K^{+1}Mn^{+7}O_4^{-2}$).

В $K_2MnO_4$ (манганат калия): степень окисления калия +1, кислорода -2. Пусть степень окисления марганца равна $x$. Тогда $2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$, откуда $2 + x - 8 = 0$, $x = +6$ ($K_2^{+1}Mn^{+6}O_4^{-2}$).

В $MnO_2$ (оксид марганца(IV)): степень окисления кислорода -2. Пусть степень окисления марганца равна $x$. Тогда $x + 2 \cdot (-2) = 0$, откуда $x = +4$ ($Mn^{+4}O_2^{-2}$).

В $MnSO_4$ (сульфат марганца(II)): сульфат-ион ($SO_4^{2−}$) имеет суммарный заряд -2. Пусть степень окисления марганца равна $x$. Тогда $x + (-2) = 0$, откуда $x = +2$ ($Mn^{+2}SO_4^{-2}$).

Ответ: в $KMnO_4$ – +7, в $K_2MnO_4$ – +6, в $MnO_2$ – +4, в $MnSO_4$ – +2.