Страница 48 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

4. Ряд активности галогенов: $<\square > \square > \square > \square$

Примеры вытеснения одного галогена из растворов его соли другим галогеном

Составьте уравнения реакций, используя метод электронного баланса.

a) $<\text{Cl}_2 + \text{HBr} = \rule{2cm}{0.4pt} + \rule{2cm}{0.4pt}$

б) $<\text{Br}_2 + \text{KI} = \rule{2cm}{0.4pt} + \rule{2cm}{0.4pt}$

в) $<\text{I}_2 + \text{NaAt} = \rule{2cm}{0.4pt} + \rule{2cm}{0.4pt}$

Фтор в такие реакции не вступает, так как

$<\text{F}_2 + \text{H}_2\text{O} = \rule{2cm}{0.4pt} + \rule{2cm}{0.4pt}$

Ряд активности галогенов:

В ряду активности химическая активность галогенов (их окислительная способность) уменьшается сверху вниз по группе. Таким образом, ряд активности выглядит следующим образом:

$F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$

Примеры вытеснения одного галогена из растворов его соли другим галогеном

Более активный галоген (стоящий выше в ряду активности) способен вытеснять менее активный галоген (стоящий ниже) из растворов его солей (или галогеноводородных кислот).

а) Cl₂ + 2HBr = 2HCl + Br₂

Решение

Хлор ($Cl_2$) является более активным галогеном, чем бром ($Br_2$), поэтому он вытесняет бром из бромоводородной кислоты (HBr). В этой окислительно-восстановительной реакции хлор является окислителем (принимает электроны), а бромид-ион ($Br^−$) — восстановителем (отдает электроны).

Составим уравнения электронного баланса:

$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ | 1 | процесс восстановления, $Cl_2$ — окислитель

$2Br^{-1} - 2e^- \rightarrow Br_2^0$ | 1 | процесс окисления, $Br^{-1}$ — восстановитель

Количество принятых и отданных электронов равно, поэтому дополнительные множители не требуются. Расставляем коэффициенты в уравнении реакции.

Ответ: $Cl_2 + 2HBr = 2HCl + Br_2$

б) Br₂ + 2KI = 2KBr + I₂

Решение

Бром ($Br_2$) активнее йода ($I_2$), следовательно, он вытесняет йод из раствора йодида калия (KI). Бром выступает в роли окислителя, а йодид-ион ($I^−$) — в роли восстановителя.

Составим уравнения электронного баланса:

$Br_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Br^{-1}$ | 1 | процесс восстановления, $Br_2$ — окислитель

$2I^{-1} - 2e^- \rightarrow I_2^0$ | 1 | процесс окисления, $I^{-1}$ — восстановитель

На основе баланса расставляем коэффициенты в уравнении реакции.

Ответ: $Br_2 + 2KI = 2KBr + I_2$

в) I₂ + 2NaAt = 2NaI + At₂

Решение

Йод ($I_2$) стоит в ряду активности выше астата ($At$). Поэтому йод вытесняет астат из его соли, астатида натрия (NaAt). Йод — окислитель, астатид-ион ($At^−$) — восстановитель.

Составим уравнения электронного баланса:

$I_2^0 + 2e^- \rightarrow 2I^{-1}$ | 1 | процесс восстановления, $I_2$ — окислитель

$2At^{-1} - 2e^- \rightarrow At_2^0$ | 1 | процесс окисления, $At^{-1}$ — восстановитель

Расставляем коэффициенты в уравнении на основе электронного баланса.

Ответ: $I_2 + 2NaAt = 2NaI + At_2$

Фтор в такие реакции не вступает, так как он является самым сильным окислителем среди всех химических элементов. При пропускании фтора через водный раствор соли любого другого галогена, он будет в первую очередь бурно реагировать с водой (растворителем), а не вытеснять другой галоген из соли. В реакции с водой фтор окисляет кислород.

Решение

Уравнение реакции фтора с водой:

$2F_2 + 2H_2O = 4HF + O_2$

Составим уравнения электронного баланса для этой реакции:

$F_2^0 + 2e^- \rightarrow 2F^{-1}$ | 2 | процесс восстановления, $F_2$ — окислитель

$2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$ | 1 | процесс окисления, $O^{-2}$ — восстановитель

Чтобы уравнять число отданных и принятых электронов (4), первую полуреакцию необходимо умножить на 2. Отсюда получаем коэффициенты для итогового уравнения.

Ответ: $2F_2 + 2H_2O = 4HF + O_2$

5. Окислительные свойства галогенов:

a) $H_2 + F_2 = \_$

б) $H_2 + Cl_2 = \_$

в) $H_2 + Br_2 = \_$

г) $H_2 + I_2 = \_$

$v_{\text{реакции}}$

так как

а) Водород реагирует с фтором с образованием фтороводорода. Это чрезвычайно активная реакция, протекающая со взрывом даже в темноте и при низких температурах, так как фтор является самым сильным окислителем среди галогенов.
Ответ: $H_2 + F_2 = 2HF$

б) Водород реагирует с хлором с образованием хлороводорода. Реакция протекает по цепному механизму и инициируется квантом света ($hv$) или нагреванием, также может быть взрывной.
Ответ: $H_2 + Cl_2 \xrightarrow{hv} 2HCl$

в) Водород реагирует с бромом с образованием бромоводорода. Для протекания реакции требуется нагревание.
Ответ: $H_2 + Br_2 \xrightarrow{t} 2HBr$

г) Водород реагирует с иодом с образованием иодоводорода. Реакция является обратимой и эндотермической, протекает при нагревании и не идет до конца.
Ответ: $H_2 + I_2 \rightleftharpoons 2HI$

Скорость реакции ($v_{реакции}$) уменьшается при переходе от реакции (а) к реакции (г), так как в ряду галогенов $F_2 \rightarrow Cl_2 \rightarrow Br_2 \rightarrow I_2$ уменьшаются их окислительные свойства. Это объясняется тем, что при движении по группе сверху вниз увеличивается радиус атомов и уменьшается их электроотрицательность, что ослабляет способность атомов принимать электроны.

6. Галогены способны реагировать с растворами щелочей:

а) $Ca(OH)_2 + Cl_2 = \text{_________} + \text{_________} + \text{_________}$

б) $NaOH + Cl_2 \overset{t}{=} \text{_________} + \text{_________} + \text{_________}$

а)

Решение:

Взаимодействие хлора с гидроксидом кальция является окислительно-восстановительной реакцией (реакцией диспропорционирования), в которой хлор одновременно повышает и понижает свою степень окисления. Реакция без нагревания приводит к образованию хлорида кальция ($CaCl_2$), гипохлорита кальция ($Ca(OCl)_2$) и воды ($H_2O$). Смесь образующихся солей кальция является действующим веществом хлорной извести. Чтобы уравнение реакции было верным, необходимо уравнять количество атомов всех элементов в левой и правой частях. Полное сбалансированное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$2Ca(OH)_2 + 2Cl_2 = CaCl_2 + Ca(OCl)_2 + 2H_2O$

Здесь хлор со степенью окисления 0 ($Cl_2$) переходит в степень окисления -1 (в хлориде $CaCl_2$) и +1 (в гипохлорите $Ca(OCl)_2$).

Ответ: $2Ca(OH)_2 + 2Cl_2 = CaCl_2 + Ca(OCl)_2 + 2H_2O$

б)

Решение:

Реакция хлора с раствором щёлочи, такой как гидроксид натрия, зависит от температурных условий. Условие (буква $t$ над знаком равенства) указывает на то, что реакция протекает при нагревании. В этих условиях хлор также диспропорционирует, но окисляется до более высокой степени окисления +5. Продуктами реакции являются хлорид натрия ($NaCl$), хлорат натрия ($NaClO_3$) и вода ($H_2O$). Сбалансированное уравнение реакции, полученное с помощью метода электронного баланса, имеет вид:

$6NaOH + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 5NaCl + NaClO_3 + 3H_2O$

В этой реакции хлор со степенью окисления 0 ($Cl_2$) восстанавливается до -1 (в хлориде $NaCl$) и окисляется до +5 (в хлорате $NaClO_3$).

Ответ: $6NaOH + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 5NaCl + NaClO_3 + 3H_2O$

Часть II

1. Запишите несколько уравнений реакций, с помощью которых можно получить хлорид железа(III). Реакции с участием электролитов запишите в ионной форме, в окислительно-восстановительных реакциях расставьте коэффициенты с помощью метода электронного баланса.

Решение

Хлорид железа(III) ($FeCl_3$) можно получить несколькими способами. Рассмотрим три из них, включая реакции ионного обмена и окислительно-восстановительные реакции.

1. Прямой синтез: взаимодействие железа с хлором

Это окислительно-восстановительная реакция. Железо окисляется, а хлор восстанавливается.

Молекулярное уравнение реакции:

$2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

Составим электронный баланс для расстановки коэффициентов:

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

$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ | 3 (процесс восстановления, $Cl_2$ - окислитель)

Эта реакция протекает между твердым веществом и газом, без участия электролитов в качестве исходных веществ, поэтому ионная форма для нее не записывается.

Ответ: $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$.

2. Взаимодействие оксида железа(III) с соляной кислотой

Это реакция ионного обмена между основным оксидом и кислотой. Так как в реакции участвуют электролиты (соляная кислота и образующаяся соль), запишем ее в ионной форме.

Молекулярное уравнение реакции:

$Fe_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 3H_2O$

Полное ионное уравнение (учитывая, что $Fe_2O_3$ - нерастворимый оксид, $HCl$ - сильная кислота, $FeCl_3$ - растворимая соль, $H_2O$ - слабый электролит):

$Fe_2O_3(тв) + 6H^+ + 6Cl^- \rightarrow 2Fe^{3+} + 6Cl^- + 3H_2O$

Сокращенное ионное уравнение (исключаем ионы-наблюдатели $Cl^-$):

$Fe_2O_3(тв) + 6H^+ \rightarrow 2Fe^{3+} + 3H_2O$

Ответ: Молекулярное уравнение: $Fe_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 3H_2O$; Сокращенное ионное уравнение: $Fe_2O_3 + 6H^+ \rightarrow 2Fe^{3+} + 3H_2O$.

3. Окисление хлорида железа(II) хлором

Это окислительно-восстановительная реакция, в которой железо в степени окисления +2 окисляется до +3 более сильным окислителем - хлором.

Молекулярное уравнение реакции:

$2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

Составим электронный баланс:

$Fe^{+2} - 1e^- \rightarrow Fe^{+3}$ | 2 (процесс окисления, $Fe^{+2}$ - восстановитель)

$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ | 1 (процесс восстановления, $Cl_2$ - окислитель)

Так как исходная и конечная соли железа являются растворимыми электролитами, запишем ионные уравнения.

Полное ионное уравнение:

$2Fe^{2+} + 4Cl^- + Cl_2 \rightarrow 2Fe^{3+} + 6Cl^-$

Сокращенное ионное уравнение (исключаем 4 иона $Cl^-$ с каждой стороны):

$2Fe^{2+} + Cl_2 \rightarrow 2Fe^{3+} + 2Cl^-$

Ответ: Молекулярное уравнение: $2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$; Сокращенное ионное уравнение: $2Fe^{2+} + Cl_2 \rightarrow 2Fe^{3+} + 2Cl^-$.