О.С.ЗАЙЦЕВ

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 14, 16, 17, 20, 22/2004

§ 8.1 Окислительно-восстановительные реакции

(продолжение)

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Воспользовавшись электронно-ионным способом подбора стехиометрических коэффициентов, составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций, протекающих по следующим схемам (формула воды не указана):

Обратите внимание, что среди соединений есть органические вещества! Попытайтесь подобрать коэффициенты, пользуясь степенями окисления или валентностями.
2. Выберите любые два уравнения электродных реакций:

Составьте из двух выписанных уравнений электродных процессов одно суммарное уравнение. Назовите окислитель и восстановитель. Рассчитайте ЭДС реакции, ее G и константу равновесия. Сделайте вывод о направлении смещения равновесия этой реакции.

Если вы забыли, как следует поступить, вспомним, что говорилось выше. Вы выписываете из этого списка два любых уравнения. Смотрите на значения их электродных потенциалов и одно из уравнений переписываете в противоположном направлении. Какое, почему и зачем? Вспоминаете, что числа отданных и принятых электронов должны быть равны, умножаете коэффициенты на некоторое число (какое?) и суммируете оба уравнения. Также суммируются и электродные потенциалы, но их вы не умножаете на число участвующих в процессе электронов. Положительное значение ЭДС говорит о возможности прохождения реакции. Для расчета G и константы равновесия подставьте вычисленное вами значение ЭДС в формулы, которые были выведены ранее.

3. Устойчив ли водный раствор перманганата калия? По-другому вопрос можно сформулировать так: будет ли перманганат-ион реагировать с водой с образованием кислорода, если

4. Окисление кислородом воздуха в водном растворе описывается уравнением:

О₂ + 4Н⁺ + 4е = 2Н₂О, E = 0,82 В.

Определите, можно ли кислородом воздуха окислить вещества, записанные в правой части любого уравнения задания 2. В правой части этих уравнений записаны восстановители. Учитель укажет вам номер уравнения.

Вам может показаться, что это задание трудно выполнить. Это и есть основной недостаток вашего характера – вам кажется, что задача невыполнима, и вы сразу отказываетесь от попытки ее решить, хотя все необходимые знания у вас имеются. В данном случае следует написать уравнение реакции между кислородом и ионами водорода и интересующее вас уравнение. Посмотреть, какая из реакций обладает более высокой способностью отдавать электроны (ее потенциал должен быть более отрицательным или менее положительным), переписать ее уравнение в противоположном направлении, изменив знак электродного потенциала на противоположный, и просуммировать с другим уравнением. Положительное значение ЭДС укажет на возможность прохождения реакции.

5. Напишите уравнение реакции между перманганат-ионом и пероксидом водорода Н₂О₂. В реакции образуются Mn²⁺ и О₂. Какие коэффициенты вы получили?
А у меня получилось следующее уравнение:

7Н₂О₂ + 2 + 6Н⁺ = 2Mn²⁺ + 6О₂ + 10Н₂О.

Найдите ошибку, если я ее сделал, или объясните, почему ваши коэффициенты другие. Это задание рассчитано на проверку вашей сообразительности и знание материала других разделов химии.

Реакция перманганат-иона с пероксидом водорода в кислотном растворе (серная кислота) может быть представлена несколькими уравнениями с различными коэффициентами, например:

5Н₂О₂ + 2 + 6Н⁺ = 2Mn²⁺ + 5О₂ + 8Н₂О,

7Н₂О₂ + 2 + 6Н⁺ = 2Mn²⁺ + 6О₂ + 10Н₂О,

9Н₂О₂ + 2 + 6Н⁺ = 2Mn²⁺ + 7О₂ + 12Н₂О.

Укажите причину этого и напишите хотя бы еще одно уравнение реакции перманганат-иона с пероксидом водорода.

Если вам удалось объяснить причину такого странного явления, объясните причину возможности написания следующих уравнений:

3Н₂О₂ + 2 + 6Н⁺ = 2Mn²⁺ + 4О₂ + 6Н₂О,

Н₂О₂ + 2 + 6Н⁺ = 2Mn²⁺ + 3О₂ + 4Н₂О.

Могут ли проходить реакции в соответствии с двумя этими уравнениями?

Ответ. На реакцию перманганат-ионов с пероксидом водорода накладывается параллельная реакция разложения пероксида водорода:

2Н₂О₂ = О₂ + 2Н₂О.

Вы можете основное уравнение реакции просуммировать с бесконечно большим числом этого уравнения и получить множество уравнений с различными стехиометрическими коэффициентами.

6. Это задание может служить темой реферата или доклада.

Обсудите возможность прохождения реакции восстановления ионов Fe³⁺ пероксидом водорода в водном растворе:

2Fe³⁺ + H₂O₂ = 2Fe²⁺ + O₂ + 2H⁺.

Рассчитайте ЭДС реакции, ее G и константу равновесия, воспользовавшись стандартными электродными потенциалами:

Изучение зависимости скорости реакции от концентрации компонентов показало, что при увеличении концентрации по отдельности Fe³⁺ или H₂O₂ в два раза скорость реакции возрастает в два раза. Каково кинетическое уравнение реакции? Определите, как изменится скорость реакции при увеличении концентрации Fe³⁺ или H₂O₂ в три раза. Предскажите, как изменится скорость реакции при разбавлении раствора водой в два или десять раз.
Предложен следующий механизм реакции:

Н₂О₂ = Н + Н⁺ (быстрая),

Fe³⁺ + H = Fe²⁺ + HO₂ (медленная),

Fe³⁺ + HO₂ = Fe²⁺ + H⁺ + O₂ (быстрая).

Докажите, что этот механизм не противоречит вышерассмотренной зависимости скорости от концентраций реагирующих веществ. Какая стадия является лимитирующей? Какова ее молекулярность и каков ее порядок? Каков общий порядок реакции? Обратите внимание на существование таких сложных ионов и молекул, как H и HO₂, и на то, что в каждой реакции образуется две частицы или даже три. (Почему нет стадий с образованием одной частицы?)

7. Переведите на русский язык.

Аn important reaction type is the electron-transfer reaction, also known as the oxidation-reduction, or redox, reaction. In such a reaction one or more electrons appear to be transferred from one atom to another. Oxidation is a word originally meant combination with oxygen gas, but so many other reactions were seen to resemble reactions with oxygen that the term was eventually broadened to refer to any reaction in which a substance or species loses electrons. Reduction is a gain electrons. The term seems to have its origins in metallurgical terminology: the reduction of an ore to its metal. Reduction is just the opposite of oxidation. An oxidation cannot take place without its having a reduction coupled with it; that is, electrons cannot be lost unless something else gains them.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Предлагаемые вам задания, как это и было раньше, представляют собой короткие научно-исследовательские работы. Для опытов отобраны реакции, имеющие важное значение не только в химии, но и в экологии. Совсем необязательно выполнить все опыты – выберите те, которые вас заинтересуют. Работать желательно малыми группами (по 2–3 человека). Это уменьшает время эксперимента, позволяет избежать ошибок и, самое главное, позволяет вам участвовать в научном общении, что развивает научную речь.

1. Окислительно-восстановительные свойства пероксида водорода.

Пероксид водорода Н₂О₂ – важнейший окислитель, который используется в быту, в технологии, при очистке воды от органических загрязнений. Пероксид водорода – экологически чистый окислитель, т.к. продукты его разложения – кислород и вода – не загрязняют окружающую среду. Известна роль пероксида водорода и пероксидных органических соединений в процессах биологического окисления-восстановления.
3–6%-е растворы пероксида водорода для бытовых и учебных целей готовят обычно из 30%-го раствора разбавлением водой. Пероксид водорода при хранении разлагается с выделением кислорода (нельзя хранить в плотно закрытых сосудах!). Чем меньше концентрация пероксида водорода, тем он устойчивее. Для замедления разложения пользуются добавками фосфорной, салициловой кислот и других веществ. Особенно сильно действуют на пероксид водорода соли железа, меди, марганца и фермент каталаза.
3%-й раствор пероксида водорода в медицине используют для промывания рта и полоскания горла при стоматите и ангине.
30%-й раствор пероксида водорода называют пергидролем. Пергидроль не взрывоопасен. Попадая на кожу, пергидроль вызывает ожоги, жжение, зуд и образование пузырей, кожа при этом белеет. Обожженное место следует быстро промыть водой. Пергидроль в медицине используют для лечения гнойных ран и для обработки десен при стоматите. В косметологии его используют для удаления пигментных пятен на коже лица. Пятна на одежде от пероксида водорода удалить невозможно. Пероксид водорода в текстильной отрасли промышленности используют для отбеливания шерсти и шелка, а также мехов.
Производство концентрированных (90–98%-х) растворов пероксида водорода постоянно растет. Хранят такие растворы в алюминиевых сосудах с добавкой пирофосфата натрия Na₄P₂O₇. Концентрированные растворы могут разлагаться со взрывом. Концентрированный раствор пероксида водорода на оксидном катализаторе при 700 °С распадается на пары воды и кислород, который служит окислителем для топлива в реактивных двигателях.

Пероксид водорода может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.
Роль окислителя для пероксида водорода более характерна:

Н₂О₂ + 2Н⁺ + 2е = 2Н₂О,

например, в реакции:

2KI + Н₂О₂ + H₂SO₄ = I₂ + K₂SO₄ + 2H₂О.

Пероксид водорода как восстановитель:
1) в кислотной среде:

Н₂О₂ – 2e = O₂ + 2H⁺;

2) в осно'вной (щелочной) среде:

Н₂О₂ + 2ОН^- – 2e = O₂ + 2H₂O.

Примеры реакций:
1) в кислотной среде:

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

2) в осно'вной среде:

2KMnO₄ + Н₂О₂ + 2KOH = 2K₂MnO₄ + O₂ + 2H₂O

или

Окислительные свойства пероксида водорода более сильно проявляются в кислотной среде, а восстановительные – в щелочной.

1а. Разложение пероксида водорода.

Налейте в пробирку 2–3 мл раствора пероксида водорода и нагрейте раствор на водяной бане. Должно начаться выделение газа. (Какого?) Докажите экспериментально, что это именно тот газ, который вы ожидали получить.
В другую пробирку с раствором пероксида водорода бросьте крупинку диоксида марганца. Докажите, что выделяется тот же газ.
Напишите уравнение разложения пероксида водорода и отдельно уравнения приема и отдачи электронов. К какому типу относится эта окислительно-восстановительная реакция?
Рассчитайте ЭДС реакции, если:

Какая из этих двух реакций обладает большей способностью отдавать электроны и ее следует переписать в противоположном направлении? Из значения ЭДС реакции рассчитайте G реакции и константу равновесия.

Сравните результаты с G и константой равновесия, полученными из термодинамических данных:

	Нобр, кДж/моль	S, Дж/(К•моль)
Н2О2 (ж.)	–187,8	109,5
Н2О (ж.)	–285,8	70,1
О2 (г.)	0	205,0

Результаты ваших расчетов совпали? Если имеется некоторое расхождение в результатах, попытайтесь найти причины.

1б. Обнаружение пероксида водорода.

К разбавленному и подкисленному серной кислотой раствору (2–3 мл) йодида калия добавьте несколько капель раствора пероксида водорода. Раствор окрасится в желто-бурый цвет. При добавлении в него нескольких капель раствора крахмала цвет смеси мгновенно становится синим. Напишите уравнение реакции (образующиеся вещества вы знаете!).
Рассчитайте ЭДС реакции, чтобы убедиться, что реакция возможна (выберите нужную вам реакцию):

1в. Черный сульфид свинца и пероксид водорода.

Старые мастера писали свои картины красками, приготовленными на основе свинцовых белил, в состав которых входил белый основный карбонат 2PbCO₃•Pb(OH)₂. С течением времени свинцовые белила чернеют, а краски на их основе изменяют свою окраску из-за действия сероводорода, при этом образуется черный сульфид свинца PbS. Если картину осторожно протереть разбавленным раствором пероксида водорода, сульфид свинца переходит в белый сульфат свинца PbSO₄ и картине почти полностью возвращается ее первоначальный вид.

В пробирку налейте 1–2 мл 0,1М раствора нитрата свинца Pb(NO₃)₂ или ацетата свинца Pb(СН₃СОО)₂ (продается в аптеке как свинцовая примочка). Прилейте немного раствора сероводорода или сульфида натрия. Слейте раствор с образовавшегося черного осадка и подействуйте на него раствором пероксида водорода. Напишите уравнения реакций.
Все соединения свинца ядовиты!

1г. Приготовление раствора пероксида водорода из гидроперита.

Если вам не удалось достать раствор пероксида водорода, то для лабораторных работ можно пользоваться гидроперитом, таблетки которого можно купить в аптеке.

Гидроперит представляет собой комплексное соединение пероксида водорода с карбамидом (мочевиной) NH₂CONH₂•H₂O₂. При растворении в воде получается раствор пероксида водорода и карбамида NH₂CONH₂. Раствор гидроперита используют вместо раствора пероксида водорода как антисептическое средство и при покраске волос. Для полоскания рта и горла растворяют 1 таблетку в стакане воды (0,25%-й раствор пероксида водорода). Одна таблетка гидроперита весит 1,5 г и соответствует 15 мл
(1 столовой ложке) 3%-го раствора пероксида водорода.

Рассчитайте, сколько таблеток гидроперита следует растворить в 100 мл воды, чтобы получить приблизительно 1%-й раствор пероксида водорода. Какой объем кислорода (н.у.) можно получить из одной таблетки гидроперита?
Опытным путем определите, сколько миллилитров кислорода можно получить из одной таблетки гидроперита. Предложите конструкцию прибора и соберите его. Объем выделившегося кислорода приведите к нормальным условиям. Для получения более точных результатов расчета вы можете учесть давление пара воды над раствором, которое при комнатной температуре (20 °С) приблизительно равно 2300 Па.