Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

первые шаги будущих профессионалов-химиков
Ответить
Аватара пользователя
Droog_Andrey
Сообщения: 2669
Зарегистрирован: Сб сен 29, 2007 8:29 pm
Контактная информация:

Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение Droog_Andrey » Вт дек 23, 2008 7:25 pm

В старые добрые лицейские времена ходили мы на химфак на практику, и в числе прочего синтезировали нитрат железа (II). По методичке нужно было полученную по обменной реакции соль выпаривать из водного раствора в инертной атмосфере углекислого газа, дабы кислород воздуха не помог нитрату окислить наше железо.

Однако, как народ ни старался прикрыть воронками стаканы, неизменно получали бурую муть. Окислялось, хоть ты тресни. Ну мы и решили послать методичку куда подальше, притащили спирта и снега с солью, сделали охлаждающую смесь и высадили спиртом наш Fe(NO3)2*6H2O. Чистенький получился, почти белый, с оттенком зелёного яблока!

Собственно, прошло с тех пор Nное количество лет, и решил я привести уже своим ученикам этот пример на одном из уроков. Рассказываю, ну и уравнение реакции пишу - мол, окисляется у нас железо нитратом в растворе при кипячении (я не стал заморачиваться по поводу основных солей и на тему разнообразия продуктов восстановления нитрата):

Fe(NO3)2 + H2O --> Fe(NO3)3 + Fe(OH)3 + NO

И предложил им самим расставить коэффициенты.

Не смог никто. :?

Собственно, я смекнул, в чём дело: тут и азот, который окислитель, расползается на два вещества, и железо, которое восстановитель, расползается на два вещества. С таким они ещё не сталкивались. А поступить здесь надо было вот как.

(прежде чем читать дальше, попробуйте коэффициенты расставить самостоятельно: получите удовольствие!)

* * * * * * *

В начале, как обычно, составляем электронный баланс:

Fe(+2) - e- = Fe(+3)
N(+5) + 3e- = N(+2)

Получаем, что на один азот должно приходиться три атома железа. Но у нас на одно железо - два азота.

Куда поставить коэффициент 3?

А вот куда.

Электронный баланс состоит в том, чтобы число электронов, потерянных при окислении, равнялось числу электронов, полученных при восстановлении. Т.е. это следствие закона сохранения электронов. Поэтому наше соотношение 3:1 - это соотношение восстановившегося азота и окислившегося железа.

Всё железо, которое окисляется, у нас заключено в нитрате железа (II). Поэтому тройку мы ставим именно перед ним. Нитрат железа (III) содержит не всё окислившееся железо, и гидроксид железа содержит его не всё. Соотношение нитрата и гидроксида нам неизвестно, поэтому коэффициенты перед ними ставить пока нельзя.

Весь азот, который восстанавливается, у нас превратился в NO. Поэтому единицу мы ставим именно перед ним. Нитрат железа (II) содержит азот, не участвующий в окислении; азот в нитрате железа (III) вообще никаким боком к электронному балансу не относится.

3Fe(NO3)2 + H2O --> Fe(NO3)3 + Fe(OH)3 + 1NO

Далее. Количество атомов азота во всех веществах, кроме NO, делится на три. Это говорит о том, что коэффициент при NO также должен делиться на три. Поэтому мы утраиваем его, а вместе с ним - и коэффициент при Fe(NO3)2, поскольку они связаны соотношением 1:3, полученным из баланса:

9Fe(NO3)2 + H2O --> Fe(NO3)3 + Fe(OH)3 + 3NO

Ну а теперь дело техники. Из 18 атомов азота только 3 потратилось на окисление и превратилось в NO; следовательно, остальные 15 содержатся в нитрате железа (III), и коэффициент перед этим веществом - 5.

9Fe(NO3)2 + H2O --> 5Fe(NO3)3 + Fe(OH)3 + 3NO

Из девяти атомов железа 5 ушли в нитрат, значит остальные 4 - в гидроксид. А в четырёх гидроксидах 12 водородов, для которых нужно 6 молекул воды:

9Fe(NO3)2 + 6H2O == 5Fe(NO3)3 + 4Fe(OH)3 + 3NO

Финита ля комедия. :-)

P.S. Возможно, содержание этого поста не совсем соответствует тематике подфорума. Однако его аудиторию большей частью составляют преподаватели и ученики, и я считаю, что этот наглядный и показательный пример вполне может быть использован как первыми в качестве иллюстративного материала, так и вторыми в качестве подспорья по электронному балансу.
2^74207281-1 is prime!

Аватара пользователя
pH<7
Сообщения: 4236
Зарегистрирован: Ср апр 21, 2004 6:48 pm
Контактная информация:

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение pH<7 » Вт дек 23, 2008 9:30 pm

простите мой французский

1 | Нитрат + 3e + 2H2O = NO + 4OH-
3 | Fe2+ - 1e = Fe3+

3Fe2+ + NO3- + 2H2O = 3Fe3+ + NO + 4OH-
9Fe2+ + 3NO3- + 6H2O= 9Fe3+ + 3NO + 12OH- = 4Fe(OH)3 + 5Fe3+ + 3NO
9Fe(NO3)2 + 6H2O = 5Fe(NO3)3 + 3NO + 4Fe(OH)3

вот и вся любовь
Carpe diem

Аватара пользователя
amik
Сообщения: 23104
Зарегистрирован: Вс мар 05, 2006 9:32 pm

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение amik » Вт дек 23, 2008 10:57 pm

Droog_Andrey? красивая задачка :up: Переедем в "лаборантскую", дабы не утонуть

Протончег, plz, объясни мне, притупевшему, логику перехода со строчки нумер 1 (3Fe2+ + NO3- + 2H2O = 3Fe3+ + NO + 4OH-) ко второй, гдe идет утроение в методе полуреакций.
Сам я уравнивал методом электронного баланса :shuffle:
Бог на стороне не больших батальонов, а тех, кто лучше стреляет (приписывается Вольтеру)

Аватара пользователя
Droog_Andrey
Сообщения: 2669
Зарегистрирован: Сб сен 29, 2007 8:29 pm
Контактная информация:

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение Droog_Andrey » Ср дек 24, 2008 12:24 am

pH<7 писал(а):простите мой французский
Да, методом полуреакций эта ОВР составляется быстро.

Но пример-то для школы, где этот метод обычно не проходят.

Обычно метод полуреакций всё-таки менее универсален. Хотя у него свои плюсы.
2^74207281-1 is prime!

chimist
Сообщения: 1516
Зарегистрирован: Вс авг 31, 2008 12:30 pm

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение chimist » Ср дек 24, 2008 12:32 am

Интересная реакция. Но в методе полуреакций, по-моему, все не просто. В полуреакции следует учитывать то, что присутствует в системе, т.е. Fe(OH)3.

Аватара пользователя
pH<7
Сообщения: 4236
Зарегистрирован: Ср апр 21, 2004 6:48 pm
Контактная информация:

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение pH<7 » Ср дек 24, 2008 4:06 pm

Я к тому, что зря не учат методу полуреакций. :)
amik писал(а):Droog_Andrey? красивая задачка :up: Переедем в "лаборантскую", дабы не утонуть

Протончег, plz, объясни мне, притупевшему, логику перехода со строчки нумер 1 (3Fe2+ + NO3- + 2H2O = 3Fe3+ + NO + 4OH-) ко второй, гдe идет утроение в методе полуреакций.
Сам я уравнивал методом электронного баланса :shuffle:
Ну... мы видим 3 чугуния и 4 гидроксида, хотим сделать из них Fe(OH)3, поэтому умножаем на три чтоб сошлось.

Правильнее написать
3Fe2+ + NO3- +2H2O = [Fe(OH)2]+ + 2[Fe(OH)]2+ + NO, тогда
3Fe(NO3)2 + 2H2O = [Fe(OH)2]NO3 + 2Fe(OH)(NO3)2 + NO
Carpe diem

Аватара пользователя
Droog_Andrey
Сообщения: 2669
Зарегистрирован: Сб сен 29, 2007 8:29 pm
Контактная информация:

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение Droog_Andrey » Ср дек 24, 2008 4:27 pm

pH<7 писал(а):Правильнее написать
3Fe2+ + NO3- +2H2O = [Fe(OH)2]+ + 2[Fe(OH)]2+ + NO, тогда
3Fe(NO3)2 + 2H2O = [Fe(OH)2]NO3 + 2Fe(OH)(NO3)2 + NO
Не соглашусь, ибо реально вываливался Fe(OH)3*nH2O. Более-менее конкретно о составе продуктов можно было бы говорить, если бы мы тогда докипятили до исчезновения Fe(II) и измерили pH полученного раствора.

Собственно, эксперимент можно повторить... :-)
2^74207281-1 is prime!

chimist
Сообщения: 1516
Зарегистрирован: Вс авг 31, 2008 12:30 pm

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение chimist » Ср дек 24, 2008 6:39 pm

Droog_Andrey писал(а):
pH<7 писал(а):Правильнее написать
3Fe2+ + NO3- +2H2O = [Fe(OH)2]+ + 2[Fe(OH)]2+ + NO, тогда
3Fe(NO3)2 + 2H2O = [Fe(OH)2]NO3 + 2Fe(OH)(NO3)2 + NO
Не соглашусь, ибо реально вываливался Fe(OH)3*nH2O. Более-менее конкретно о составе продуктов можно было бы говорить, если бы мы тогда докипятили до исчезновения Fe(II) и измерили pH полученного раствора.
Проблема не в истинной формуле состава продукта, а в приемах составления заданного уравнения. :)

Аватара пользователя
Droog_Andrey
Сообщения: 2669
Зарегистрирован: Сб сен 29, 2007 8:29 pm
Контактная информация:

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение Droog_Andrey » Ср дек 24, 2008 8:49 pm

Ну я слово "правильнее" понял как "ближе к реальности" :-)
2^74207281-1 is prime!

chimist
Сообщения: 1516
Зарегистрирован: Вс авг 31, 2008 12:30 pm

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение chimist » Ср дек 24, 2008 11:16 pm

Вот как можно сбалансировать эту реакцию, получается громоздко, но логически обоснованно (можно все это немного оптимизировать, но не в этот раз). Полуреакции:

NO3- + 2H2O +3e = NO + 4OH- |1
Fe2+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+ + 1e |3
_______________________________________________
NO3- + 7H2O + 3Fe2+ = NO + 5H+ + 3 Fe(OH)3
(протоны в правой части не переводим в оснОвные соли железа, а записываем "как есть" для последующего элиминирования :).

Переходим к формальному молекулярному уравнению:
3Fe(NO3)2 + 7H2O = NO + 5HNO3 + 3Fe(OH)3 (1)

Чтобы "избавиться" от кислоты в правой части, необходимо ее полностью нейтрализовать гидроксидом железа(III) по реакции:
3HNO3+ Fe(OH)3 = Fe(NO3)3 + 3H2O (2).
Добавим в левую и правую часть уравнения (1) Fe(OH)3 в таком количестве, чтобы связать 5 молекул азотной кислоты. Из уравнения (2) следует, что 5 моль HNO3 нейтрализуют 5/3 моль Fe(OH)3

3Fe(NO3)2 + 7H2O = NO + 5HNO3 + 3Fe(OH)3
5/3 Fe(OH)3 = 5/3 Fe(OH)3

или, переходя к целым числам, имеем:
3 | 3Fe(NO3)2 + 7H2O = NO + 5HNO3 + 3Fe(OH)3
5 | Fe(OH)3 = Fe(OH)3 (3)
_________________________________________________________
9Fe(NO3)2 + 21H2O + 5 Fe(OH)3 = 3NO + 15HNO3 + 5Fe(OH)3 + 9Fe(OH)3


Заменим в правой части 15HNO3 и 5Fe(OH)3 на продукты уравнения 2, предварительно умноженного на 5 (т.к. реагирует не 1, а 5 моль Fe(OH)3 (см. cхему (3)):
5 | 3HNO3+ Fe(OH)3 = Fe(NO3)3 + 3H2O :
т.е. продуктами будут 5Fe(NO3)3 + 15H2O :

9Fe(NO3)2 + 21H2O + 5 Fe(OH)3 = 3NO + 5Fe(NO3)3 + 15H2O + 9Fe(OH)3
Упростив, имеем требуемое

9Fe(NO3)2 + 6H2O = 5Fe(NO3)3 + 3NO + 4Fe(OH)3 .
Последний раз редактировалось chimist Чт дек 25, 2008 12:31 am, всего редактировалось 1 раз.

Аватара пользователя
Droog_Andrey
Сообщения: 2669
Зарегистрирован: Сб сен 29, 2007 8:29 pm
Контактная информация:

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение Droog_Andrey » Ср дек 24, 2008 11:46 pm

Не, проще уж обычный баланс :-)
2^74207281-1 is prime!

Аватара пользователя
Droog_Andrey
Сообщения: 2669
Зарегистрирован: Сб сен 29, 2007 8:29 pm
Контактная информация:

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. баланс

Сообщение Droog_Andrey » Пн фев 02, 2009 1:28 am

Часто ещё бывает, что ученики неасиливают перейти от электронного баланса атомов к электронному балансу веществ.

Вот пример задачки: в каком массовом отношении нужно смешать перхлорат аммония с сульфидом фосфора (III) для получения зажигательной смеси?

Написать продукты нетрудно, но фишка в том, что здесь сразу четыре элемента изменяют степени окисления:

NH4ClO4 + P2S3 --> H3PO4 + HCl + SO2 + N2 + H2O

N-3 - 3e- = N0
Cl+7 + 8e- = Cl-1
P+3 - 2e- = P+5
S-2 - 6e- = S+4

Обычно сия картина вводит неподготовленного ученика в ступор. Вместе с тем достаточно вспомнить смысл электронного баланса, чтобы разобраться в ситуации.

В чём состоит наша первоочередная задача? В том, чтобы правильно расставить коэффициенты перед веществами. Т.е нам важно соотношение веществ, а не отдельных элементов, и электронный баланс должен подсказать, в каком соотношении нужно взять вещество-восстановитель, теряющее электроны, и вещество-окислитель, приобретающее их.

Таким образом, найдём количество электронов, отданных либо принятых каждым из веществ, участвующих в ОВР.

В сульфиде фосфора (III) два атома фосфора теряют по два электрона, и три атома серы теряют по шесть, итого теряется 22 электрона:

x2 | P+3 - 2e- = P+5
x3 | S-2 - 6e- = S+4
Итого: -2x2-6x3 = -22

А теперь посмотрим на перхлорат аммония. Один азот теряет два электрона, а один хлор забирает восемь. В итоге вещество в целом забирает 5 электронов, являясь окислителем:

x1 | N-3 - 3e- = N0
x1 | Cl+7 + 8e- = Cl-1
Итого: -3x1+8x1 = 5

Значит, чтобы выполнялся электронный баланс, восстановитель и окислитель нужно взять в отношении 5:22. Ну а дальше элементарная арифметика приводит нас к уравнению реакции:

22NH4ClO4 + 5P2S3 == 10H3PO4 + 22HCl + 15SO2 + 11N2 + 18H2O

Пересчитав на массовое соотношение, получаем 36:11.
2^74207281-1 is prime!

Аватара пользователя
Droog_Andrey
Сообщения: 2669
Зарегистрирован: Сб сен 29, 2007 8:29 pm
Контактная информация:

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. бала

Сообщение Droog_Andrey » Пн сен 27, 2010 5:11 pm

Ещё один нестандартный пример ОВР - реакция синтеза иодида фосфония:

P2I4 + P4 + H2O → PH4I + H3PO4

Фосфор в этом уравнении находится сразу в четырёх степенях окисления, и с ним очень трудно справиться. В таких ситуациях можно применить следующий способ.

Фишка в том, что метод электронного баланса работает независимо от реальной электроотрицательности элементов. Например, можно приписать фтору положительную степень окисления, и ничего страшного не произойдёт. Можно даже дробные степени окисления присваивать, - главное, чтобы сумма степеней окисления всех атомов в конкретном веществе равнялась нулю.

Поэтому в указанном примере можно легко приписать фосфору и иоду в левой части уравнения нулевые степени окисления. Тогда сразу ясно, что на образование PH4I было затрачено 4 электрона, т.к. здесь один атом фосфора (-3) и один атом иода (-1), а при образовании H3PO4 освободилось 5 электронов, т.к. здесь один атом фосфора (+5). В результате имеем

P2I4 + P4 + H2O → 5PH4I + 4H3PO4

А теперь арифметика. :) Как обычно, начинаем с элементов, которые входят в состав меньшего числа веществ.

Уравниваем иод:
5P2I4 + P4 + H2O → 20PH4I + 16H3PO4
(обратите внимание, что на 4 домножился также коэффициент перед фосфорной кислотой, т.к. она завязана на PH4I электронным балансом)

Уравниваем кислород:
5P2I4 + P4 + 64H2O → 20PH4I + 16H3PO4
(при этом водород уравнялся автоматически)

Очевидно, что белым фосфором добавляется 20+16-5*2 = 26 атомов фосфора, т.е. нужно ставить перед ним коэффициент 13 и всё удваивать:

10P2I4 + 13P4 + 128H2O == 40PH4I + 32H3PO4

Занавес :)
2^74207281-1 is prime!

Аватара пользователя
Droog_Andrey
Сообщения: 2669
Зарегистрирован: Сб сен 29, 2007 8:29 pm
Контактная информация:

Re: Одна хитрая ОВР, или Как правильно использовать эл. бала

Сообщение Droog_Andrey » Пт май 06, 2011 11:54 pm

По материалам данной темы (и не только) написал небольшую заметку в журнал для педагогов-химиков.

Вот черновик: http://www.primefan.ru/stuff/chem/coeffs.pdf

:-)
2^74207281-1 is prime!

Ответить

Вернуться в «Лаборантская»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 9 гостей