Метод електронно-іонних рівнянь (напівреакцій). Отримання HCl Реакція протікає за схемою

При складанні рівнянь окиснювально-відновних реакцій цим методом рекомендується дотримуватися наступного порядку:

1. Запишіть схему реакції із зазначенням вихідних речовин, що утворюються, визначте елементи, які змінюють в результаті реакції ступінь окислення, знайдіть окислювач і відновник.

2. Складіть електронні рівняння, виходячи з того, що окислювач приймає електрони, а відновник їх віддає.

3. Підберіть множники (основні коефіцієнти) для електронних рівнянь так, щоб число електронів, відданих при окисленні, дорівнювало числу електронів, отриманих при відновленні.

4. Розставте коефіцієнти рівняння реакції.

ПРИКЛАД 3: Скласти рівняння реакції відновлення оксиду заліза (III) вуглецем . Реакція протікає за схемою:

Fe 2 O 3 + C → Fe + CO

Рішення: Залізо відновлюється, знижуючи рівень окислення від +3 до 0; вуглець окислюється, його ступінь окиснення підвищується від 0 до +2.

Складемо схеми цих процесів.

відновник 1 | 2Fe +3 + 6e = 2Fe 0 процес окислення

окисник 3| C 0 -2e = C +2 процес відновлення

Загальна кількість електронів, відданих відновником, має дорівнювати загальному числу електронів, прийнятих окислювачем. Знайшовши найменше загальне кратне між числами 2 і 6, визначаємо, що відновлювача має бути три, а молекул окислювача - дві, тобто. знаходимо відповідні коефіцієнти у рівнянні реакції перед відновником, окислювачем та продуктами окислення та відновлення.

Рівняння матиме вигляд:

Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO

Метод електронно-іонних рівнянь (напівреакцій).

При складанні електронно-іонних рівнянь враховують форму існування речовин у розчині (простий або складний іон, атом або молекула нерозчинної або важкодисоціюючої у воді речовини).

Щоб скласти рівняння окислювально-відновних реакцій цим методом, рекомендується дотримуватися наступного порядку:

1.Складіть схему реакції із зазначенням вихідних речовин та продуктів реакції, позначте іони, що змінюють в результаті реакції ступінь окислення, визначте окислювач та відновник.

2. Складіть схеми напівреакцій окиснення та відновлення із зазначенням вихідних та утворених в умовах реакції іонів або молекул.

3. Зрівняйте число атомів кожного елемента в лівій та правій частинах напівреакцій; при цьому слід пам'ятати, що у водних розчинах у реакціях можуть брати участь молекули води, іони Н + або ОН - .

Слід пам'ятати, що у водних розчинах зв'язування надлишкового кисню та приєднання кисню відновником відбувається по-різному, залежно від рН середовища. У кислих розчинах надлишок кисню зв'язується іонами водню з утворенням молекул води, а нейтральних і лужних - молекулами води з утворенням гідроксид-іонів.Наприклад,

MnO 4 - + 8H + + 5e = Mn 2+ + 4H 2 O (кисле середовище)

NO 3 - + 6H 2 O + 8e = NH 3 + 9OH - (нейтральне або лужне середовище).

Приєднання кисню відновником здійснюється в кислому та нейтральному середовищах за рахунок молекул води з утворенням іонів водню, а в лужному середовищі - за рахунок гідроксид іонів з утворенням молекул води.Наприклад,

I 2 + 6H 2 O - 10e = 2IO 3 - + 12H + (кисле або нейтральне середовище)

CrO 2 - + 4OH - - 3e = CrO 4 2- + 2H 2 O (лужне середовище)

4. Зрівняйте сумарну кількість зарядів в обох частинах кожної напівреакції; для цього додайте до лівої та правої частин напівреакції необхідну кількість електронів.

5. Підберіть множники (основні коефіцієнти) для напівреакцій так, щоб число електронів, що віддаються при окисленні, дорівнювало числу електронів, що приймаються при відновленні.

6. Складіть рівняння напівреакції з урахуванням знайдених основних коефіцієнтів.

7. Розставте коефіцієнти рівняння реакції.

ПРИКЛАД 4: Скласти рівняння окислення сірководню хлорною водою.

Реакція протікає за схемою:

H 2 S + Cl 2 + H 2 O → H 2 SO 4 + HCl

Рішення. Відновленню хлору відповідає наступне рівняння напівреакції: Cl 2 + 2e = 2Cl - .

При складанні рівняння напівреакції окислення сірки виходимо із схеми: H 2 S → SO 4 2- . У ході цього процесу атом сірки зв'язується із чотирма атомами кисню, джерелом яких є молекули води. При цьому утворюються вісім іонів Н+; крім того, два іони Н + вивільняються з молекули Н2S.

Усього утворюються 10 іонів водню:

Ліва частина схеми містить лише незаряджені частинки, а сумарний заряд іонів у правій частині схеми дорівнює +8. Отже, внаслідок окислення вивільняються вісім електронів:

H 2 S + 4H 2 O → SO 4 2- + 10 H +

Оскільки відношення чисел електронів, прийнятих при відновленні хлору і відданих при окисленні сірки, дорівнює 82 або 41, то, складаючи рівняння напівреакцій відновлення і окислення, треба перше з них помножити на 4, а друге - на 1.

Отримуємо:

Cl 2 + 2e = 2Cl - | 4

H 2 S + 4H 2 O = SO 4 2- + 10H + +8e - | 1

4Cl 2 + H 2 S + 4H 2 O = 8Cl - + SO 4 2- +10H +

У молекулярній формі отримане рівняння має такий вигляд:

4Cl 2 + H 2 S + 4H 2 O = 8HCl + H 2 SO 4

Одна й та сама речовина в різних умовах може окислюватися або відновлюватися до різних ступенів окислення відповідного елемента, тому величина еквівалента окислювача та відновника також може мати різні значення.

Еквівалентна маса окислювача дорівнює його молярної маси поділеної на число електронів n, які приєднує одна молекула окислювача у цій реакції.

Наприклад, реакції відновлення Cl 2 + 2e = 2Cl - . n = 2 Отже, еквівалентна маса Сl 2 дорівнює М/2, тобто. 71/2 = 35,5 г/моль.

Еквівалентна маса відновника дорівнює його молярної маси поділеної на число електронів n, які віддає одна молекула відновника у цій реакції.

Наприклад, реакції окислення H 2 S + 4H 2 O - 8е = SO 4 2- + 10 H +

n = 8. Отже, еквівалентна маса H 2 S дорівнює М/8, тобто. 34,08/8 = 4,26 г/моль.

Дані речовини: водні розчини тетрагідроксоалюмінату калію К[Аl(ОН)4], хлориду алюмінію, карбонату калію, хлор. Напишіть рівняння чотирьох можливих реакцій між цими речовинами
(*відповідь*) 3K + AlCl3 = 4Al(OH)3 + 3KCl
(*відповідь*) 3K2CO3 + 2AlCl3 + 3H2O = 2Al(OH)3 + 3CO2 + 6KCl
(*відповідь*) K + CO2 = KHCO3 + Al(OH)3
(*відповідь*) 3K2CO3 + 3Cl2 = 5KCl + KClO3 + 3CO2
2AlCl3 + 2CO2 + 3H2O = Al(OH)3 + 2H2CO3 + 2HCl
Дані речовини: водні розчини тетрагідроксоцінкату калію K2, пероксид натрію, вугілля, вуглекислий газ. Напишемо рівняння чотирьох можливих реакцій між цими речовинами
(*відповідь*) K2 + CO2 = K2CO3 + Zn(OH)2 + H2O
(*відповідь*) 2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2
(*відповідь*) CO2 + C 2CO
(*відповідь*) 2Na2O2 + C Na2CO3 + Na2O
2Na2O2 + 2CO = 2Na2CO3 + 2СO2
Дані речовини: водний розчин гексагідроксохромату калію К3[Сr(ОН)6], твердий гіпохлорит калію, оксид марганцю(IV), концентрована соляна кислота. Напишемо рівняння чотирьох можливих реакцій між цими речовинами: _
(*відповідь*) 2K3 + 3KClO = 2K2CrO4 + 3KCl + 2KOH + 5H2O
(*відповідь*) K3 + 6HCl = 3KCl + CrCl3 + 6H2O
(*відповідь*) 4HCl + MnO2 = Cl2 + MnCl2 + 2H2O
(*відповідь*) 2HCl + KClO = Cl2 + KCl + H2O
MnO2 + KClO = MnCl4 + KO
Дані речовини: карбонат натрію, концентрований розчин гідроксиду натрію, оксид алюмінію, фторид фосфору (V), вода. Напишемо рівняння чотирьох можливих реакцій між цими речовинами:
(*відповідь*) PF5 + 4H2O = H3PO4 + 5HF
(*відповідь*) PF5 + 8NaOH = Na3PO4 + 5NaF + 4H2O
(*відповідь*) Na2CO3 + Al2O3 2NaAlO2 + CO2
(*відповідь*) Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na
PF5 + 2Na2CO3 = Na3PO4 + 2CO2 + NaF
Дано речовини: концентрована азотна кислота, фосфор, сірчистий газ, концентрований розчин сульфіту амонію. Напишемо рівняння чотирьох можливих реакцій між цими речовинами. У результаті отримаємо: _
(*відповідь*) P + 5HNO3 = H3PO4 + 5NO2 + H2O
(*відповідь*) 2HNO3 + SO2 = H2SO4 + 2NO2
(*відповідь*) (NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2NH4HSO3
(*відповідь*) 2HNO3 + (NH4)2SO3 = (NH4)2SO4 + 2NO2 + H2O
P + SO2 = S + O2
Дані речовини: концентрована сірчана кислота, сірка, срібло, хлорид натрію. Напишемо рівняння чотирьох можливих реакцій між цими речовинами. У результаті отримаємо: _
(*відповідь*) 2H2SO4 + S = 3SO2 + 2H2O
(*відповідь*) H2SO4 + 2NaCl = Na2SO4 + 2HCl (або NaHSO4 + HCl)
(*відповідь*) 2Ag + 2H2SO4 = Ag2SO4 + SO2 + 2H2O
(*відповідь*) 2Ag+S = Ag2S
3H2SO4 + 2NaCl = 2Na + 2HCl + 3SO2 + 2H2O+ O2
Дані речовини: концентрована хлорувата кислота, розчини хлориду хрому (III), гідроксиду натрію. Напишемо рівняння чотирьох можливих реакцій між цими речовинами. У результаті отримаємо: _
(*відповідь*) HClO3 + 2CrCl3 + 4H2O = H2Cr2O7 + 7HCl
(*відповідь*) HClO3 + NaOH = NaClO3 + H2O
(*відповідь*) CrCl3 + 3NaOH = Cr(OH)3 + 3NaCl
(*відповідь*) CrCl3 + 6NaOH = Na3 + 3NaCl
CrCl3 + 8NaOH = Na4 + 4NaCl
Дано речовини: хлор, концентрована азотна кислота, розчини хлориду заліза(II), сульфіду натрію. Напишемо рівняння чотирьох можливих реакцій між цими речовинами. У результаті отримаємо: _
(*відповідь*) 2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
(*відповідь*) Na2S + FeCl2 = FeS + 2NaCl
(*відповідь*) Na2S + 4HNO3 = S + 2NO2 + 2NaNO3 + 2H2O
(*відповідь*) FeCl2 + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO2 + 2HCl + H2O
2HNO3 + Cl2 = 2HCl +2NO2 +H2O
Дано речовини: хлорид фосфору(III), концентрований розчин гідроксиду натрію, хлор. Напишемо рівняння чотирьох можливих реакцій між цими речовинами. У результаті отримаємо: _
(*відповідь*) PCl3 + 5NaOH = Na2PHO3 + 3NaCl + 2H2O
(*відповідь*) PCl3 + Cl2 = PCl5
(*відповідь*) 2NaOH + Cl2 = NaCl + NaClO + H2O
(*відповідь*) 6NaOH (гарячий) + 3Cl2 = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O
4NaOH + 2Cl2 = 4NaCl + H2O + O3
Використовуючи метод електронного балансу, складемо рівняння реакції: Cl2 + NaI + H2O ® NaIO3 + … та визначимо окислювач та відновник. У результаті отримаємо: _
(*відповідь*) рівняння реакції 3Cl2 + NaI + 3H2O = NaIO3 + 6HCl
(*відповідь*) окислювач - хлор
(*відповідь*) відновник - йод
рівняння реакції 2Cl2 + NaI + 2H2O = NaIO3 + 4HCl
відновник - хлор
окислювач - йод

Хлороводень у промисловості отримують або прямим синтезом з хлору та водню, або з побічних продуктів при хлоруванні алканів (метану). Ми будемо розглядати прямий синтез елементів.

HCl – безбарвний газ із різким, характерним запахом

t° пл = -114,8 ° C, t ° кіп = -84 ° C, t ° кріст = +57 ° C, тобто. хлороводень можна одержувати за кімнатної температури в рідкому вигляді, збільшуючи тиск до 50 – 60 атм. У газовій та рідкій фазі знаходиться у вигляді окремих молекул (відсутність водневих зв'язків). Міцне з'єднання Е св = 420 кДж/моль. Починає розкладатися елементи при t>1500°C.

2HCl Cl 2 + H 2

Ефективний радіус HCl = 1,28, диполь - 1,22.

R Cl - = 1,81, тобто. протон впроваджується в електронну хмару іону хлору на третину ефективного радіусу і при цьому відбувається зміцнення самої сполуки, внаслідок підвищення позитивного заряду поблизу ядра іона хлору та врівноваження дії електронів, що відштовхує. Всі галогеноводи утворені аналогічно і є міцними сполуками.

Хлороводень добре розчинний у воді в будь-яких співвідношеннях (в одному обсязі H 2 O розривається до 450 об'ємів HCl), з водою утворює кілька гідратів і дає азеотропну суміш – 20,2% HCl і t° кіп = 108,6°C.

Утворення хлороводню з елементів:

Cl 2 + H 2 = 2HCl

Суміш водню та хлору при освітленні вибухає, що вказує на ланцюговий характер реакції.

На початку століття Баденштейн запропонував наступний механізм реакції:

Ініціювання: Cl 2 + hν → ē + Cl 2 +

Ланцюг: Cl 2 + + H 2 → HCl + H + Cl +

H + Cl 2 → HCl + Cl

Обрив ланцюга: Cl + + ē → Cl

Cl + Cl → Cl 2

Але ѓ у посудині не було.

У 1918 р. Нернст запропонував інший механізм:

Ініціювання: Cl 2 + hν → Cl + Cl

Ланцюг: Cl + H 2 → HCl + H

H + Cl 2 → HCl + Cl

Обрив ланцюга: H + Cl → HCl

Надалі цей механізм отримав подальший розвиток та доповнення.

1 стадія - ініціювання

реакція Cl 2 + hν → Cl + Cl

Ініціюється фотохімічним шляхом, тобто. шляхом поглинання кванта світла hν. Згідно принципом еквівалентностіЕйнштейна кожен квант світла може викликати перетворення лише однієї молекули. Кількісною характеристикою принципу еквівалентності є квантовий вихід реакції:

– кількість молекул, що прореагували, що припадають на 1 квант світла.

γ у звичайних фотохімічних реакціях ≤1. Однак у разі ланцюгових реакцій γ>>1. Наприклад, у разі синтезу HCl γ=10 5 при розпаді H 2 O 2 γ=4.

Якщо молекула Cl 2 поглинула квант світла, вона перебуває у збудженому стані

10 -8 -10 -3 сек і, якщо отриманої з квантом світла енергії вистачило для перетворення, відбувається реакція, якщо ні, то молекула знову перейде в основний стан, або з випромінюванням кванта світла (флуоресценція або фосфоресценція), або електронне збудження конверсується в енергію коливання чи обертання.

Подивимося, що відбувається у нашому випадку:

Е дис Н 2 = 426,4 кДж/моль

Е дис Cl 2 = 239,67 кДж/моль

Е обр HCl = 432,82 кДж/моль – без опромінення реакція не йде.

Квант світла має енергію Е кв = 41,1*10 -20 Дж. Енергія, необхідна для початку реакції (енергія активації), дорівнює енергії, витраченої дисоціації молекули Cl 2:

тобто. Е Cl2<Е кв и энергии кванта достаточно для преодоления потенциального барьера реакции и реакция начинается.

На відміну від каталізу, у якому потенційний бар'єр знижується, у разі фотохімічних реакцій він легко долається з допомогою енергії кванта світла.

Ще одна можливість ініціювання реакції - додавання парів Na суміш H 2 +Cl 2 . Реакція відбувається при 100°C у темряві:

Na + Cl 2 → NaCl + Cl

Cl + H 2 → HCl + H ………

та утворюється до 1000 HCl на 1 атом Na.

2 стадія - продовження ланцюга

Реакції продовження ланцюга при отриманні HCl бувають наступних типів:

1. Cl + H 2 → HCl + H E a =2,0 кДж/моль

2. H + Cl 2 → HCl + Cl E a =0,8 кДж/моль

Це ланки ланцюга.

Швидкість даних реакцій можна наступним чином:

W 1 = K 1 [H 2]

W 2 = K 2 [Cl 2]

Т.к. енергії активації цих реакцій малі, їх швидкості великі. Ланцюги в даному випадку нерозгалужені, а за теорією нерозгалужених ланцюгів:

W розвиток ланцюга = W іціюється фотохімічним шляхом, тобто. шляхом поглинання кванта світлообриву,

Cl + Cl + М → Cl 2 + М,

то W обр = До 2

Від реакцій 1 та 2 залежить швидкість отримання HCl

у разі W 1 =W 2 , т.к.цепи досить довгі (з теорії ланцюгових реакцій)

Дане кінетичне рівняння справедливе без домішок в суміші H 2 + Cl 2 . Якщо в систему потрапить повітря, кінетичне рівняння буде інше. Зокрема

W обр = K, тобто. не квадратичний обрив і перебіг процесу повністю змінюється.

Т.к. є речовини, є інгібіторами ланцюгових реакцій. Інгібітором реакції утворення HCl є кисень:

O 2 + H → O 2 H

Цей радикал малоактивний і може реагувати тільки з таким радикалом, регенеруючи кисень

O 2 H + O 2 H = O 2 + H 2 O 2

Розрахунки показують, що у присутності 1% O 2 реакція уповільнюється 1000 раз. Ще більш сповільнює швидкість процесу присутність NCl 3 , який уповільнює реакцію в 10 5 разів сильніше, ніж кисень. Т.к. хлорид азоту може бути присутнім у хлорі в процесі його одержання в промисловості, необхідне ретельне очищення вихідного хлору перед синтезом HCl.

Ланцюгові реакціївключають у свій механізм безліч однотипних елементарних актів, що послідовно повторюються (ланцюг).

Розглянемо реакцію:

H 2 + Cl 2 = 2HCl

Вона складається з наступних стадій, загальних всім ланцюгових реакцій:

1) Ініціювання, або зародження ланцюга

Cl 2 = 2Cl·

Розпад молекули хлору на атоми (радикали) відбувається при УФ-опроміненні або нагріванні. Сутність стадії ініціювання – утворення активних, реакційноздатних частинок.

2) Розвиток ланцюга

Cl · H 2 = HCl + H ·
H · + Cl 2 = HCl + Cl ·

Через війну кожного елементарного акту розвитку ланцюга утворюється новий радикал хлору, і це стадія повторюється знову і знову, теоретично - до витрачання реагентів.

3) Рекомбінація, або обрив ланцюга

2Cl · = Cl 2
2H · = H 2
H · + Cl · = HCl

Радикали, що опинилися поруч, можуть рекомбінувати, утворюючи стійку частинку (молекулу). Надлишок енергії вони віддають "третій частинці" - наприклад, стінкам судини або молекул домішок.

Розглянута ланцюгова реакція є нерозгалуженою, оскільки в елементарному акті розвитку ланцюга кількість радикалів не зростає. Ланцюгова реакція взаємодії водню з киснем є розгалуженою, т.к. число радикалів в елементарному акті розвитку ланцюга зростає:

H · + O 2 = OH · + O ·
O · + H 2 = OH · + H ·
OH · + H 2 = H 2 O + H ·

До розгалужених ланцюгових реакцій відносяться багато реакцій горіння. Неконтрольоване зростання кількості вільних радикалів (як у результаті розгалуження ланцюга, так і для нерозгалужених реакцій у разі занадто швидкого ініціювання) може призвести до сильного прискорення реакції та вибуху.

Здавалося б, чим більший тиск, тим вища концентрація радикалів і ймовірніший вибух. Але насправді для реакції водню з киснем вибух можливий лише певних областях тиску: від 1 до 100 мм рт.ст. та вище 1000 мм рт.ст. Це випливає з механізму реакції. При малому тиску більшість утворюються радикалів рекомбінує на стінках судини, і реакція йде повільно. У разі підвищення тиску до 1 мм рт.ст. радикали рідше досягають стін, т.к. найчастіше вступають у реакції з молекулами. У цих реакціях радикали розмножуються і відбувається вибух. Однак при тиску вище 100 мм рт. концентрації речовин настільки зростають, що починається рекомбінація радикалів в результаті потрійних зіткнень (наприклад, з молекулою води), і реакція протікає спокійно, без вибуху (стаціонарний перебіг). Вище за 1000 мм рт.ст. концентрації стають дуже великі, і навіть потрійних зіткнень виявляється недостатньо, щоб запобігти розмноженню радикалів.

Вам відома ланцюгова розгалужена реакція поділу урану-235, у кожному елементарному акті якої захоплюється 1 нейтрон (грає роль радикала) і випускається до 3 нейтронів. Залежно від умов (наприклад, від концентрації поглиначів нейтронів) для неї також можливий стаціонарний перебіг або вибух. Це ще один приклад кореляції кінетики хімічних та ядерних процесів.

Програми