Задачи к разделу Окислительно-восстановительные реакции

В данном разделе собраны задачи по теме Окислительно-восстановительные реакции. Приведены примеры задач на составление уравнений реакций, нахождение окислительно-восстановительного потенциал, и константы равновесия ОВР и другие.

Задача 1. Какие соединения и простые вещества могут проявлять только окислительные свойства? Выберите такие вещества из предложенного перечня: NH3, CO, SO2, K2MnO4, Сl2, HNO2. Составьте уравнение электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

HNO3 + H2S = H2SO4 + NO + H2O.

Показать решение »

Решение.

Простые вещества, атомы которых не могут отдать электрон, а могут только присоединить его в реакциях являются только окислителями. Из простых веществ только окислителем может быть фтор F2, атомы которого имеют наивысшую электроотрицательность. В сложных соединениях – если атом, входящий в состав этого соединения (и меняющий степень окисления) находится в своей наивысшей степени окисления, то данное соединение будет обладать только окислительными свойствами.

Из предложенного списка соединений, нет веществ, которые обладали бы только окислительными свойствами, т.к. все они находятся в промежуточной степени окисления.

Наиболее сильный окислитель из них – Cl2, но в реакциях с более электроотрицательными атомами будет проявлять восстановительные свойства.

 

N-3H3, C+2O, S+4O2, K2Mn+6O4, Сl02, HN+3O2

HNO3 + H2S = H2SO4 + NO + H2O.

Составим электронные уравнения:

N+5 +3e = N+2         | 8        окислитель

S-2 — 8e = S+6         | 3        восстановитель

Сложим два уравнения

8N+5 +3S-2 = 8N+2 + 3S+6

Подставим коэффициенты в молекулярное уравнение:

8HNO3 +3H2S = 3H2SO4 + 8NO + 4H2O.

Задача 2. Почему азотистая кислота может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства? Составьте уравнения реакций HNO2: а) с бромной водой; б) с HI; в) с KMnO4. Какую функцию выполняет азотистая кислота в этих реакциях?

Показать решение »

Решение.

HN+3O2 — Степень окисления азота в азотистой кислоте равна +3 (промежуточная степень окисления). Азот в этой степени окисления может как принимать, так и отдавать электроны, т.е. может являться как окислителем, так восстановителем.

а) HNO2 + Br2 + H2O = 2HBr + HNO3

N+3 – 2 e = N+5            | 1        восстановитель

Br20 + 2 e = 2Br       | 1        окислитель   

N+3 + Br= N+5 + 2Br

 

б) HNO2 + 2HI = I2 + 2NO + 2H2O

N+3 + e = N+2                | 1         окислитель

2I  2 e = I2            | 1        восстановитель

N+3 + 2I—  = N+2 + I

 

в) 5HNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5HNO3 + K2SO4 + 3H2O

N+3 – 2 e = N+5              | 5        восстановитель

Mn+7 + 5 = Mn+2       | 2        окислитель

5N+3 + 2Mn+7 = 5N+5 + 2Mn+2

Задача 3. Определите степени окисления всех компонентов, входящих в состав следующих соединений: HСl, Cl2, HClO2 , HClO3 , Cl2O7 . Какие из веществ являются только окислителями, только восстановителями, и окислителями и восстановителями? Расставьте коэффициенты в уравнении реакции:

КСlO3 → КС1 + КСlO4.

Укажите окислитель и восстановитель.

Показать решение »

Решение.

Хлор может проявлять степени окисления от -1 до +7.

Соединения, содержащие хлор в его высшей степени окисления, могут быть только окислителями, т.е. могут только принимать электроны.

Соединения, содержащие хлор в его низшей степени окисления, могут быть только восстановителями, т.е. могут только отдавать электроны.

Соединения, содержащие хлор в его промежуточной степени окисления, могут быть как восстановителями, так и окислителями, т.е. могут отдавать, так и принимать электроны.

H+1Сl-1, Cl02, H+1Cl+3O2-2 , H+1Cl+5O3-2 , Cl2+7O7-2

Таким образом, в данном ряду

Только окислитель — Cl2O7

Только восстановитель – HСl

Могут быть как окислителем, так и восстановителем — Cl2, HClO2 , HClO3

 

КСlO3 → КС1 + КСlO4.

Составим электронные уравнения

Cl+5 +6e = Cl—                  | 2 | 1   окислитель

Cl+5 -2e = Cl+7            | 6 | 3   восстановитель

Расставим коэффициенты

4Cl+5 = Cl+ 3Cl+7

4КСlO3 → КС1 + 3КСlO4.

Задача 4. Какие из приведенных реакций являются внутримолекулярными? Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Укажите восстановитель, окислитель.

а) KNO3 = KNO2 + O2;

б) Mq+ N2 = Mq3N2;

в) KClO3  = KCl + O2.

Показать решение »

Решение.

В реакциях внутримолекулярного окисления-восстановления перемещение электронов происходит внутри одного соединения, т.е. и окислитель и восстановитель входят в состав одного и того же сложного вещества (молекулы)

а) 2KNO3 = 2KNO2 + O2внутримолекулярная ОВР

N+5 +2e = N+3               | 2        окислитель

2O-2 -4e = O20           | 1        восстановитель

2N+5 + 2O-2 = 2N+3 + O20

 

б) 3Mq + N2 = Mq3N2межмолекулярная ОВР

N2 +6e = 2N-3             | 2 | 1   окислитель

Mg0 -2e = Mg+2         | 6 | 3   восстановитель

N2 + 3Mg0 = 2N-3 + 3Mg+2

 

в) 2KClO = 2KCl + 3O2внутримолекулярная ОВР

Cl+5 +6e = Cl—                 | 4 | 2   окислитель

2O-2 -4e = O20            | 6 | 3   восстановитель

2Cl+5+ 6O-2 = 2Cl + 3O20

Задача 5. Какие  ОВР относятся к реакциям диспропорционирования? Расставьте коэффициенты в реакциях:

а) Cl2 + KOH = KCl + KClO3 + H2O;

б) KClO3 = KCl + KClO4 .

Показать решение »

Решение.

В реакциях диспропорционирования окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же элемента в одинаковой степени окисления (обязательно промежуточной). В результате образуются новые соединения, в которых атомы этого элемента обладают различной степенью окисления.

а) 3Cl2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O;

Cl20 +2e = 2Cl—              | 10| 5  окислитель

Cl20 -10e = 2Cl+5          | 2 | 1   восстановитель

5Cl20 + Cl20 = 10Cl+ 2Cl+5

3Cl20 = 5Cl+ Cl+5

 

б) 4KClO3 = KCl + 3KClO4

Cl+5 +6e = Cl—                 | 2 | 1   окислитель

Cl+5 -2e = Cl+7              | 6 | 3   восстановитель

4Cl+5 = Cl+ 3Cl+7

Задача 6. Составьте электронные уравнения и подберите коэффициенты ионно-электронным методом в реакции

KMnO4 + KNO2 + H2SO4 = K2SO4 + MnSO4 + KNO3 + H2O

Показать решение »

Решение.

Составим полуреакции:

MnO4 + 8H+ +5e = Mn2+ + 4H2O             | 2        окислитель

NO2 + H2O — 2e= NO3 + 2H+              | 5        восстановитель

 

Сложим две полуреакции, умножив каждую на соответствующий коэффициент:

2MnO4 + 16H+ + 5NO2+ 5H2O = 2Mn2+ + 8H2O + 5NO3 + 10H+

 

После сокращения идентичных членов, получаем ионное уравнение:

2MnO4 + 6H+ + 5NO2 = 2Mn2+ + 3H2O + 5NO3

 

Подставим коэффициенты в молекулярное уравнение и уравняем его правую и левую части:

2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 = K2SO4 + 2MnSO4 + 5KNO3 + 3H2O

Задача 7. Определите методом электронного баланса коэффициенты в уравнениях окислительно-восстановительных реакций:

Zn + HNO3 = Zn(NO3)2 + NH4NO3 + H2O

Zn + H2SO4(конц) = ZnSO4 + SO2 + H2O

Показать решение »

Решение.

4Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

Составим электронные уравнения

Zn0 – 2 e = Zn2+          | 8 | 4 |          восстановитель

N+5 + 8 e = N3-              | 2 | 1 |           окислитель

4Zn0 + N+5 = 4Zn2+ + N3- 

 

Zn + 2H2SO4(конц) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O

Составим электронные уравнения

Zn0 – 2 e = Zn2+          | 2 | 1            восстановитель

S+6 + 2 e = S+4                | 2 | 1           окислитель

Zn0 + S+6 =  Zn2+ + S+4

Задача 8. Можно ли в качестве окислителя в кислой среде использовать K2Cr2O7 в следующих процессах при стандартных условиях:

а) 2F -2e = F2, E0 = 2,85 В

б) 2Сl -2e = Cl2, E0 = 1,36 В

в) 2Br -2e = Br2, E0 = 1,06 В

г) 2I -2e = I2, E0 = 0,54 В

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал системы

Cr2O72- + 14H+ + 6e = 2Cr3+ + 7H2O равен E0 =1,33 В

Показать решение »

Решение.

Для определения возможности протекания ОВР в прямом направлении необходимо найти ЭДС гальванического элемента:

ЭДС = Е0ок — Е0восст

Если найденная величина ЭДС > 0, то данная реакция возможна.

 

Итак, определим, можно ли K2Cr2O7 использовать в качестве окислителя в следующих гальванических элементах:

F2|F || Cr2O72-|Cr3+                  E = 1,33 – 2,85 = -1,52 В

Cl2|Cl || Cr2O72-|Cr3+               E = 1,33 – 1,36 = -0,03 В

Br2|Br || Cr2O72-|Cr3+              E = 1,33 – 1,06 = +0,27 В

I2|I || Cr2O72-|Cr3+                    E = 1,33 – 0,54 = +0,79 В

 

Таким образом, в качестве окислителя дихромат калия можно использовать только для процессов:

2Br -2e = Br2 и 2I -2e = I

Задача 9. Вычислите окислительно-восстановительный потенциал для системы

MnO4 + 8H+ +5e = Mn2+ + 4H2O

Если С(MnO4)=10-5 М, С(Mn2+)=10-2 М, С(H+)=0,2 М.

Показать решение »

Решение.

Окислительно-восстановительный потенциал рассчитывают по уравнению Нернста:

E = + (0,059/n)lg(Cок/Cвос)

В приведенной системе в окисленной форме находятся MnO4и H+, а в восстановленной форме — Mn2+, поэтому:

E = 1,51 + (0,059/5)lg(10-5*0,2/10-2) = 1,46 В

Задача 10. Рассчитайте для стандартных условий константу равновесия окислительно-восстановительной реакции:

2KMnO4 + 5HBr + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5HBrO + K2SO4 + 3H2O

Показать решение »

Решение.

Константа равновесия K окислительно-восстановительной реакции связана с окислительно-восстановительными потенциалами соотношением:

lgK = (E10 -E20 )n/0,059

Определим, какие ионы в данной реакции являются окислителем и восстановителем:

MnO4 + 8H+ +5e = Mn2+ + 4H2O       | 2        окислитель

Br + H2O — 2e= HBrO + H+               | 5        восстановитель

 

Общее число электронов, принимающих участие в ОВР n = 10

E10 (окислителя) = 1,51 В

E20 (восстановителя) = 1,33 В

 

Подставим данные в соотношение для К:

lgK = (1,51 — 1,33 )10/0,059

lgK = 30,51

K = 3,22*1030