Способы решения задач по общей химии

Ионы комплексных соединений 

Задача 481.
Константа неустойчивости иона [AlF₆]^3- равна 1,45 ^. 10^-20. Какая масса алюминия в виде ионов содержится в 0,25 л 0,24 н Na₃[AlF₆], в котором находится 2,5 г KF? 
Решение:
Кн([AlF₆]^3-) = 1,45 ^. 10^-20;
Vp.([AlF₆]^3-) = 0,25 л = 250 мл;
Cм([AlF₆]^3-) = 0,24 н = (М = Н/f = 0,24/3 = 0,08) = 0,08 M;
M(KF) = 58 г/моль;
M(Al) = 27 г/моль;
m(KF) = 2,5 г;
m(Al³⁺) = ?

Рассчитаем концентрацию фторида калия:

См((KF) = (m(KF) ^. 1000)/(М(KF) ^. 250) = = 0,172 моль/л. 

Вторичная диссоциация комплексного иона протекает по схеме:

[AlF₆]^3- = Al³⁺ + 6F^-.

В присутствии избытка ионов  F^-, создаваемого в результате диссоциации КF (которую можно считать полной), это равновесие смещено влево настолько, что количество ионов  F-, образующихся при вторичной диссоциации, можно пренебречь. Тогда [Al³⁺] = С(соли) = 0,08 моль/л. По той же причине равновесная концентрация ионов [AlF₆]^3- может быть приравнена к общей концентрации комплексной соли (0,08 моль/л).
По условию задачи:

Kн = {[Al³⁺][F^-]⁶}/[AlF₆]^3- = 1,45 ^. 10^-20.

Отсюда выражаем концентрацию ионов Al³⁺: 

[Al³⁺] =  {[AlF₆]^{3- .} Kн}/[F^-]⁶ =
= [0,08 ^. (1,45 ^. 10^-20)]/(0,172)⁶ = 4,48 ^. 10^-17 моль/л.

Теперь рассчитаем массу алюминия, находящуюся в виде ионов в количестве 4,48 * 10-17 моль/л. моль/л в растворе комплексной соли:

m(Al³⁺) = [М(Al) ^. См(Al³⁺) ^. V]/1000 =
= [27 ^. (4,48 ^. 10^-17) ^. 250]/1000 = 3,024 ^. 10^-16 г.

Ответ: 3,7 ^. 10^-16 г.
 

Задача 482.
Константа неустойчивости иона [HgI₄]^2- равна 1,38 ^. 10^-30. Сколько граммов ртути в виде ионов содержится в 0,1 л 0,01 М К₂[HgI₄], в котором находится 5 г NaI. Выпадает ли осадок Hg(OH)2, если к этому раствору добавить 0,0001 моль КОН. Пр(Hg(OH)₂) = 10^-26.
Решение:
Рассчитаем концентрацию NaI:

См((NaI) = (m(NaI)^.1000)/(М(NaI) ^. 100) =
= (5^.1000)/(150) ^. 100) = 0,33 моль/л.

Вторичная диссоциация комплексного иона протекает по схеме:

[HgI₄]^2- = Hg²⁺ + 4I^-.

В присутствии избытка ионов I^-, создаваемого в результате диссоциации NaI (которую можно считать полной), это равновесие смещено влево настолько, что количество ионов I-, образующихся при вторичной диссоциации, можно пренебречь. Тогда [Hg²⁺] = С(соли) = 0,01 моль/л. По той же причине равновесная концентрация ионов [HgI₄]^2- может быть приравнена к общей концентрации комплексной соли (0,01 моль/л).
По условию задачи:

Kн = {[Hg²⁺][I-]⁴}/[HgI₄]²- = 1,38 ^. 10^-30.

Отсюда выражаем концентрацию ионов Hg²⁺: 

[Hg²⁺] =  {[HgI₄]^{2- .} Kн}/[I^-]⁴ =
= [0,01 ^. (1,38 ^. 10^-30)]/(0,33)⁴ =  1,16 ^. 10^-26 моль/л.

Теперь рассчитаем массу ртути, находящуюся в виде ионов в количестве 1,16 ^. 10^-26 моль/л в растворе комплексной соли:

m(Hg²⁺) = [М(Hg) ^. См(Hg²⁺) ^. V]/1000 =
= [201 ^. (1,16 ^. 10^-26) ^. 100]/1000 = 2,33 ^. 10^-22 г.

Ответ: 2,33 ^. 10^-22 г.

Уравнение реакции имеет вид:

К₂[HgI₄] + 2KОН = Hg(OH)₂ + 4KI.

Из уравнения реакции следует, что из 2 моль КOH и 1 моль К2[HgI₄]  образуется 1 моль Hg(OH)₂. Так как  [Hg²⁺] = 1,38 ^. 10^-30 моль/л; [OH^-] = 1 ^. 10^-4 моль/л, то произведение концентраций ионов Hg²⁺ и OH^-  будет равна:  (1,38 ^. 10^-30) . (1 ^. 10^-4)² = 1,38 ^. 10^-38. Так как  1,38 ^. 10^-38 < 1 ^. 10^-26, то осадок Hg(OH)₂ образуется.
 

Потенциал ионизации

Задача 483.
Объясните, почему потенциал ионизации молекулы C₂ выше, чем потенциал ионизации атома углерода? Почему потенциал ионизации молекулы O₂ ниже, чем потенциал ионизации атома кислорода?
Решение:
1. Электронная конфигурация атома углерода в основном состоянии:

(С)[1s²2s²2p²] или (С)[K2s²2p²].

Молекулярные орбитали молекулы углерода:

МО (С₂)[KK σ(2s)² σ*(2s)² σ(2pz)² π(2px)² π(2py) π*(2px) π*(2py)].

Из схемы следует, что у молекулы углерода С₂ верхняя занятая орбиталь {σ(2pz)² π(2px)²} является связывающей. Электроны, которые находятся на связывающей орбитали, связаны с ядрами прочнее, чем в атоме. Это значит, что удалить электрон от атома углерода будет проще. Таким образом энергия ионизации атома углерода меньше, чем энергия ионизации молекулы углерода. Действительно, энергия ионизации молекулы углерода С₂ составляет 11,4 эв, а атома С - 11,26 эВ.

2. Электронная конфигурация атома кислорода в основном состоянии:

(О)[1s²2s²2p⁴] или (О)[K2s²2p⁴].

Молекулярные орбитали молекулы кислорода:

МО (О₂)[KK σ(2s)² σ*(2s)² σ(2pz)² π(2px)² π(2py)² π*(2px)¹ π*(2py)¹].

Из схемы следует, что у молекулы кислорода верхняя занятая МО является разрыхляющей, обозначена звездочками. Электроны, которые там сидят ((π*2px)¹ (π*2py)¹), связаны с ядрами гораздо слабее, чем в атоме. Это значит, что для отрыва электрона с верхней занятой МО кислорода требуется затратить меньше энергии, чем от атома. Итак, вывод: энергия ионизации атома кислорода больше, чем энергия ионизации молекулы кислорода. В действительности, энергия ионизации молекулы кислорода О₂ =12,08 эВ, а атома О - 13,62 эВ.
 

Окислительно-восстановительные уравнения реакции

Задача 484.
Закончите уравнения окислительно-восстановительных реакций, используя метод электронного баланса; укажите вещества, выполняющие функции окислителей и восстановителей:
MnO₂ + KJ + CO₂ + H₂O → MnCO₃ + KHCO₃ +J₂.
Решение:
Определяем атомы элементов, в которых произошло измениение степени окисления при реакции. Здесь у марганца произошло уменьшение степени окисления с +4 в MnO₂ до +2 в MnCO₃ (Mn⁺⁴ = Mn⁺²), а степень окисления иода увеличилася  с -1 в KI до 0 в I₂ (I^-1 = I⁰). 
Определяем окислитель и восстановитель в реакции. 
В данной реакции окислителем является оксид марганца (ΙV) (MnO₂), который в процессе реакции принимает электроны, восстанавливается от Mn⁽⁺⁴⁾ до Mn⁽⁺²⁾. Восстановителем является йодид калия (KI), который в процессе реакции отдает электроны, окисляетя от I(^-1) до I⁽⁰⁾. 
Составим уравнения ионно-молекулярного баланса (уравнения полуреакций):

1|MnO₂ + 4H⁺ + 2e- → Mn²⁺ + 2H₂O 
1|2I^- -2е → 2I⁰ (I₂) 

Складывая эти полуреакции, получаем полное онно-молекулярное уравнение: 

MnO₂ + 2I^- + 4Н⁺ → Mn²⁺ + 2H₂O + I₂.

На основании этого ионного уравнения составляем молекулярное, c учетом того, что СО₂ в водном растворе дает слабокислую реакцию за счет образования неустойчивой угольной кислоты (Н₂О + СО₂ ⇆ Н₂СО₃), отсюда в полуреакции мы использовали 4 иона Н⁺.
Здесь мы сначела уравняли атомы Mn, I, C, K, получили:

MnO₂ + 2KJ + 3CO₂ + 4Н⁺ → MnCO₃ + 2KHCO₃ + 2Н₂О + J₂.

Затем, учитывая то, что 3 молекулы СО₂ должны связаться с 3-мя молекулами Н₂О, а 4 иона Н⁺ в левой части равенства ушли на соединение 2 молекул Н₂О в левой части, получим:

MnO₂ + 2KJ + 3CO₂ + 3Н₂О → MnCO₃ + 2KHCO₃ + 2Н₂О + J₂.

Теперь, приведем обе части равенства, сократив по 2 молекулы Н₂О, получим окончательное молекулярное уравнение:

MnO₂ + 2KJ + 3CO₂ + H₂O → MnCO₃ + 2KHCO₃ +J₂. 

Проверяем еще раз, чтобы количество атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения было одинаковым. В данном случае это так. 

Ответ:
окислитель - MnO₂; 
восстановитель - KI; 
сбалансированное уравнение реакции -
MnO₂ + 2KJ + 3CO₂ + H₂O → MnCO₃ + 2KHCO₃ + J₂.

Задача 485.
Расставьте коэффициенты, установите окислитель и восстановитель
K₂Cr₂O₇ + KI + H₂SO₄ → K₂SO₄ + I₂ + Cr₂(SO₄)₃  + H₂O 
Решение:
Определяем атомы элементов, в которых произошло измениение степени окисления при реакции. Здесь у хрома произошло уменьшение степени окисления с +6 в K₂Cr₂O₇ до +3 в Cr₂(SO₄)₃ (Cr⁺⁶ = Cr⁺³), а степень окисления иода увеличиласm с -1 в KI до 0 в I₂ (I^-1 = I⁰). 
Определяем окислитель и восстановитель в реакции. 
В данной реакции окислителем является дихромат калия (K²Cr²O⁷), который в процессе реакции принимает электроны, восстанавливается от Cr⁽⁺⁶⁾ до Cr⁽⁺³⁾. Восстановителем является йодид калия (KI), который в процессе реакции отдает электроны, окисляетя от I^(-1) до I⁽⁰). 
Составим уравнения ионно-молекулярного баланса (уравнения полуреакций):

1|2|Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e- → 2Cr³⁺ + 7H₂O 
3|6|2I^- -2е → 2I⁰ (I₂) 

Складывая эти полуреакции, получаем полное онно-молекулярное уравнение: 

Cr₂O₇^2- + 6I^- + 14Н⁺ → 2Cr³⁺   + 7H₂O + 3I₂.

На основании этого ионного уравнения составляем молекулярное, получим:

K₂Cr₂O₇ + 6KI + 7H₂SO₄ → 4K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + 3I₂ + 7H₂O.

Проверяем, чтобы количество атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения было одинаковым. В данном случае это так. 

Ответ:
окислитель: K₂Cr₂O₇; 
оосстановитель: KI; 
сбалансированное уравнение реакции -
K₂Cr₂O₇ + 6KI + 7H₂SO₄ →
→ 4K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + 3I₂ + 7H₂O.