AS II - reakcje redox, procesy elektrochemiczne M + komentarz

ROZWI¥ZANIA ZADAÑ (z komentarzem) ZADANIE 1. OdpowiedŸ: Stopnie utlenienia siarki w podanych zwi¹zkach chemicznych przedstawia poni¿sza tabela: Wzór sumaryczny

H2S

SO2

SO32–

H2SO4

HSO4–

Na2S2O3

Stopieñ utlenienia

–II

IV

IV

VI

VI

–II oraz VI

Komentarz: W tiosiarczanie(VI) sodu Na2S2O3 dwa atomy siarki s¹ na ró¿nych stopniach utlenienia. Jeden atom wystêpuje na –II stopniu utlenienia, drugi — na VI. Ró¿nica pomiêdzy siarczanem(VI) sodu, a tiosiarczanem sodu jest taka, ¿e w Na2S2O3 drugi atom siarki zast¹pi³ jeden z atomów tlenu. ZADANIE 2. OdpowiedŸ: Stopnie utlenienia azotu w podanych zwi¹zkach chemicznych przedstawia poni¿sza tabela: Wzór sumaryczny

NH4+

NO2

Ca(NO3)2

NO3–

KNO2

NH4NO3

Stopieñ utlenienia

–III

IV

V

V

III

–III oraz V

Komentarz: W azotanie(V) amonu NH4NO3 dwa atomy azotu s¹ na ró¿nych stopniach utlenienia. Jeden atom wystêpuje na –III stopniu utlenienia, drugi — na V. ZADANIE 3. OdpowiedŸ: Utleniacz — kwas azotowy(V). Reduktor — siarczek miedzi(I). Komentarz: Azot zmniejszy³ swój stopieñ utlenienia z V (w HNO3), na II (w NO). Zarówno miedŸ, jak i siarka ulegaj¹ utlenieniu — podwy¿szaj¹ swoje stopnie utlenienia: miedŸ z I (w Cu2S) na II (w Cu(NO3)2), a siarka z –II (w Cu2S) na VI (w H2SO4). ZADANIE 4. OdpowiedŸ: A. Siarka pe³ni rolê utleniacza. C. Siarka pe³ni rolê reduktora. B. Siarka pe³ni rolê reduktora. D. Siarka pe³ni rolê utleniacza. Komentarz: W reakcji A siarka zmniejszy³a swój stopieñ utlenienia z 0 na –II, a wiêc zredukowa³a siê. W reakcjach B i C siarka podwy¿szy³a swój stopieñ utlenienia z IV na VI, a wiêc siê utleni³a. W reakcji D siarka zmniejszy³a swój stopieñ utlenienia z VI na IV, a wiêc siê zredukowa³a. ZADANIE 5. OdpowiedŸ A. Jony Na+ oraz Mg2+. Komentarz: Utleniaczem jest pierwiastek, który w reakcji utleniania-redukcji redukuje siê, a wiêc zmniejsza swój stopieñ utlenienia. Atomy sodu i magnezu oraz aniony Br– i S2– nie mog¹ zmniejszyæ swojego stopnia utlenienia (atomy sodu i magnezu wystêpuj¹ w zwi¹zkach chemicznych tylko na dodatnich stopniach utlenienia). Atomy bromu i siarki mog¹ zarówno obni¿aæ, jak i podwy¿szaæ stopieñ utlenienia. Natomiast jony sodu i magnezu mog¹ tylko zmniejszyæ swój stopieñ utlenienia na 0. OdpowiedŸ B: Atomy sodu i magnezu oraz jony bromkowe Br– i siarczkowe S2–. www.wsip.com.pl

1

Komentarz: Reduktorem jest pierwiastek, który utlenia siê, a wiêc podwy¿sza swój stopieñ utlenienia. Kationy Na+ i Mg2+ nie mog¹ byæ reduktorami, gdy¿ zarówno sód, jak i magnez wystêpuj¹ w nich na maksymalnym stopniu utlenienia. Natomiast brom i siarka mog¹ tworzyæ zwi¹zki chemiczne, w których wystêpuj¹ na dodatnich stopniach utlenienia. OdpowiedŸ C. Tylko atomy bromu oraz atomy siarki. Komentarz: Zarówno atomy bromu jak i siarki mog¹ obni¿aæ lub podwy¿szaæ stopieñ utlenienia. Brom na 0 stopniu utlenienia mo¿e przechodziæ na –I stopieñ utlenienia (w jonie bromkowym Br–) lub na dodatni, np. VII stopieñ utlenienia (w kwasie bromowym(VII) HBrO4). Siarka na 0 stopniu utlenienia mo¿e przechodziæ na –II stopieñ utlenienia (w jonie siarczkowym S2–) lub na dodatni, np. IV stopieñ utlenienia (w tlenku siarki(IV) SO2). ZADANIE 6. OdpowiedŸ: Zwi¹zki, które mog¹ pe³niæ tylko rolê utleniacza: K2Cr2O7, KNO3, KMnO4, KClO4. Komentarz: Utleniaczem jest pierwiastek, który w reakcji utleniania-redukcji redukuje siê, a wiêc zmniejsza swój stopieñ utlenienia. Chrom, azot, mangan i chlor w wy¿ej wymienionych zwi¹zkach chemicznych wystêpuj¹ na swoich maksymalnych stopniach utlenienia. Nie mog¹ wiêc jeszcze go podwy¿szaæ, a wiêc nie mog¹ pe³niæ roli reduktorów. Pe³ni¹ tylko rolê utleniaczy. Jod w NaI nie mo¿e pe³niæ roli utleniacza, poniewa¿ wystêpuje na najni¿szym stopniu utlenienia. Nie mo¿e jeszcze go obni¿aæ. Natomiast tlen w nadtlenku wodoru (wystêpuje na –I stopniu utlenienia), siarka w siarczanie(IV) sodu oraz ¿elazo w chlorku ¿elaza(II) mog¹ pe³niæ rolê zarówno utleniaczy, jak i reduktorów, poniewa¿ wystêpuj¹ na poœrednich stopniach utlenienia. ZADANIE 7. OdpowiedŸ A:

Utleniacz: kwas azotowy(V). Reduktor: miedŸ. OdpowiedŸ B:

Utleniacz: dichromian(VI) potasu. Reduktor: chlorek cyny(II). ZADANIE 8. OdpowiedŸ A:

Nadtlenek wodoru pe³ni w tej reakcji rolê reduktora. OdpowiedŸ B:

Nadtlenek wodoru pe³ni w tej reakcji rolê utleniacza. 2

ZADANIE 9. OdpowiedŸ: Fioletowe jony MnO4– redukuj¹ siê w œrodowisku kwaœnym, tworz¹c bezbarwne jony Mn2+.

ZADANIE 10. OdpowiedŸ A:

OdpowiedŸ B: Azotan(III) potasu pe³ni w tej reakcji rolê utleniacza, a jodek potasu — rolê reduktora. ZADANIE 11. OdpowiedŸ A: Równanie reakcji utleniania-redukcji, w której kation Fe3+ jest utleniaczem: lub Fe3+ + Cr2+ Û Fe2+ + Cr3+ 2 Fe3+ + Sn2+ Û 2 Fe2+ + Sn4+ Komentarz: Rolê utleniacza mo¿e pe³niæ jedynie kation Fe3+, który podczas reakcji utleniania-redukcji zredukuje siê do kationu ¿elaza Fe2+. Potencja³ standardowy E o tej reakcji wynosi E o = 0,77 V Fe3+ + e– Û Fe2+ Rolê reduktora w reakcji z kationem Fe3+ mo¿e pe³niæ jedynie taki kation metalu, którego potencja³ standardowy reakcji utleniania-redukcji ma wartoœæ ni¿sz¹ od 0,77 V (E o < 0,77 V). Ten warunek spe³niaj¹ dwa kationy: 2+ 4+ l kation cyny Sn , który utleni siê do kationu Sn ; 2+ 3+ l kation chromu Cr , który utleni siê do kationu Cr . OdpowiedŸ B: Równanie reakcji utleniania-redukcji, w której kation Fe2+ jest reduktorem: 2 Fe2+ + Pb4+ Û 2 Fe3+ + Pb2+ Komentarz: Rolê reduktora mo¿e pe³niæ jedynie kation Fe2+, który podczas reakcji utleniania-redukcji utleni siê siê do kationu ¿elaza Fe3+. Potencja³ standardowy E o tej reakcji wynosi E o = 0,77 V Fe2+ Û Fe3+ + e– Rolê utleniacza w reakcji z kationem Fe2+ mo¿e pe³niæ jedynie taki kation metalu, którego potencja³ standardowy reakcji utleniania-redukcji ma wartoœæ wy¿sz¹ od 0,77 V (E o > 0,77 V). Ten warunek spe³nia jedynie kation o³owiu Pb4+, który zredukuje siê do kationu Pb2+. ZADANIE 12. OdpowiedŸ A: Podczas elektrolizy wodnego roztworu kwasu siarkowego(VI) na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe: 0

A(+)

2 H2O Û O2­ + 4 H+ + 4 e– 0

K(–)

2 H+ + 2 e– Û H2­

OdpowiedŸ B: Podczas elektrolizy wodnego roztworu azotanu(V) o³owiu(II) na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe:

www.wsip.com.pl

3

OdpowiedŸ C: Podczas elektrolizy wodnego roztworu wodorotlenku potasu na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe:

ZADANIE 13. OdpowiedŸ A: Podczas elektrolizy wodnego roztworu chlorku niklu(II) na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe:

OdpowiedŸ B: Na katodzie wydzieli siê 14 g niklu. Komentarz: Z równañ reakcji elektrodowych wynika, ¿e wydzieleniu 1 mola chloru, zajmuj¹cego objêtoœæ w warunkach normalnych 22,4 dm3, towarzyszy wydzielenie 1 mola niklu o masie molowej 59 g/mol. Zatem na anodzie wydzieli siê 5,3 dm3 chloru, a na katodzie wydzieli siê 14 g niklu.

x = 14 g Ni ZADANIE 14. OdpowiedŸ: Elektrolizê nale¿y prowadziæ przez co najmniej 225,13 minut. Komentarz: Czas elektrolizy mo¿na obliczyæ na podstawie prawa Faradaya: M × I ×t m × n× F mM = M Þt = M n× F MM ×I Czas, w którym wydzieli siê 0,1 mola ¿elaza (z rozk³adu 0,1 mola FeCl3) — 5789 s m × n × F 5,6 g × 3 × 96 485 C × mol –1 t= M = = 5789 s 56 g/ mol × 5 A MM ×I Czas, w którym wydzieli siê 0,2 mola atomów miedzi (z rozk³adu 0,2 mola CuCl2) — 7719 s m × n × F 12,8 g × 2 × 96 485 C × mol –1 t= M = = 7719 s 64 g/ mol × 5 A MM ×I Ca³kowity czas przeprowadzania elektrolizy wynosi t = 5789 s + 7719 s = 13 508 s = 225,13 minut. ZADANIE 15. OdpowiedŸ A: Podczas elektrolizy wodnego roztworu siarczanu(VI) miedzi(II) na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe:

OdpowiedŸ B: Stê¿enie molowe kationów Cu2+ w roztworze po elektrolizie wynosi cmol = 0,505 mol/dm3. Komentarz: Z równañ reakcji elektrodowych wynika, ¿e wydzieleniu 1 mola tlenu, zajmuj¹cego objêtoœæ w warunkach normalnych 22,4 dm3, towarzyszy wydzielenie 2 moli miedzi. Zatem na anodzie wydzieli siê 11,2 dm3 tlenu, a na katodzie wydzieli siê 1 mol miedzi.

x = 1 mol Cu 4

W elektrolizerze przed elektroliz¹ by³o 2 dm3 1-molowego roztworu CuSO4, zatem znajdowa³o siê w nim 2 mole kationów Cu2+. Po elektrolizie pozostanie w roztworze 1 mol kationów Cu2+. Objêtoœæ roztworu ulegnie zmniejszeniu, poniewa¿ podczas elektrolizy na anodzie rozk³ada³a siê woda. Z rozk³adu 1 mola H2O zajmuj¹cego objêtoœæ 18 cm3 wydzieli siê 11,2 dm3 tlenu (0,5 mola O2). Zatem koñcowa objêtoœæ roztworu wynosi V = 2 dm3 – 0,018 dm3 = 1,982 dm3. Stê¿enie molowe kationów Cu2+ w roztworze po elektrolizie wynosi wiêc 0,505 mol/dm3. n 2+ 1 mol = 0,505 mol/dm3 c mol = Cu = 3 V 1,982 dm ZADANIE 16. OdpowiedŸ: Podczas elektrolizy wodnego roztworu azotanu(V) cynku(II) na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe:

Podczas elektrolizy prowadzonej pr¹dem o natê¿eniu 4 A w czasie 15 minut na katodzie wydzieli siê 1,2 g cynku. Komentarz: Masê cynku wydzielonego na katodzie mo¿na obliczyæ na podstawie prawa Faradaya: 65 g/mol × 4 A × 900 s M ×I ×t = = 1,2 g Zn mZn = Zn n× F 2 × 96 485 C × mol –1 ZADANIE 17. OdpowiedŸ A: Podczas elektrolizy wodnego roztworu kwasu solnego na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe:

OdpowiedŸ B: W wyniku elektrolizy roztworu HCl otrzymano 13,2 dm3 chloru. Komentarz: Z równañ reakcji elektrodowych wynika, ¿e wydzieleniu 1 mola wodoru, zajmuj¹cego w warunkach normalnych objêtoœæ 22,4 dm3, towarzyszy wydzielenie 1 mola chloru o objêtoœci 22,4 dm3. Na anodzie wydzieli siê wiêc 15 dm3 chloru, a na katodzie wydzieli siê 15 dm3 wodoru. W wodzie rozpuœci³o siê 12 % wydzielonego na anodzie chloru, czyli 1,8 dm3 chloru. W wyniku elektrolizy roztworu HCl otrzymano wiêc 13,2 dm3 chloru. ZADANIE 18. OdpowiedŸ: Ogniwo I: A. Schemat ogniwa: Cr | Cr3+ || Cu2+ | Cu B. Anod¹ jest elektroda chromowa, a katod¹ — elektroda miedziana. C. Na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe:

D. Standardowa SEM tego ogniwa wynosi 1,08 V. SEM = E Ko - E Ao = 0,34 V – (–0,74 V) = 0,34 V + 0,74 V = 1,08 V Ogniwo II: A. Schemat ogniwa: Co | Co2+ || Pb2+ | Pb B. Anod¹ jest elektroda kobaltowa, a katod¹ — elektroda o³owiowa. C. Na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe:

www.wsip.com.pl

5

D. Standardowa SEM tego ogniwa wynosi 0,14 V. Komentarz: SEM = E Ko - E Ao = -013 , V – (–0,27 V) = –0,13 V + 0,27 V = 0,14 V ZADANIE 19. OdpowiedŸ: A. Schemat ogniwa ¿elazowo-niklowego: Fe | Fe2+ || Ni2+ | Ni B. Na elektrodach zachodz¹ nastêpuj¹ce reakcje elektrodowe:

C. SEM tego ogniwa, je¿eli [Fe2+] = [Ni2+] = 0,1 mol/dm3 (w T = 298 K), wynosi 0,21 V. Komentarz: 0,059 0,059 o o SEM = E K - E A = E Ni + log[Ni 2+ ] - E Fe log[Fe 2+ ] 2+ 2+ / Ni / Fe 2 2 0,059 o o SEM = E Ni - E Fe + (log[Ni 2+ ] - log[Fe 2+ ]) 2+ 2+ / Ni / Fe 2 [Ni 2+ ] 0,059 o o SEM = E Ni E + log 2+ 2+ / Ni Fe / Fe 2 [Fe 2+ ] 0,059 01 , SEM = -0,23 V + 0, 44 V + log = 0,21 V 2 01 , D. SEM tego ogniwa, je¿eli [Fe2+] = 1 mol/dm3, a [Ni2+] = 0,01 mol/dm3 (w T = 298 K), wynosi 0,15 V. Komentarz: [Ni 2+ ] 0,059 o o SEM = E Ni E + log 2+ 2+ / Ni Fe / Fe 2 [Fe 2+ ] 0,059 0,01 SEM = -0,23 V + 0, 44 V + log = 0,21 V – 0,059 V = 0,15 V 2 1 ZADANIE 20. OdpowiedŸ A: Sumaryczne równanie procesu (w formie jonowej) zachodz¹cego w trakcie elektrolizy:

OdpowiedŸ B: Na p³ytce niklowej wydzieli siê 34,4 g srebra. Komentarz: Z sumarycznego równania procesu wynika, ¿e wydzieleniu na p³ytce niklowej 2 moli srebra o masie 216 g towarzyszy ubytek 1 mola niklu o masie 59 g. Zatem przyrost masy p³ytki wynosi³ Dm = 216 g – 59 g = 157 g Wydzielenie 216 g srebra na p³ytce niklowej zwi¹zane jest z przyrostem masy p³ytki o 157 g. Zatem przyrost masy p³ytki o 25 g zwi¹zany jest z wydzieleniem siê na p³ytce 34,4 g srebra

x = 34,4 g Ag

6