Решение химической задачи: дихромат натрия, йодид калия и серная кислота

Хорошо, давайте решим эту задачу по химии. Перечень веществ: дихромат натрия, йодид калия, серная кислота, сульфат магния, пероксид водорода, нитрат свинца (II). Нам нужно выбрать вещества, между которыми протекает окислительно-восстановительная реакция с изменением цвета раствора, но без выделения газа. Рассмотрим возможные окислительно-восстановительные реакции: 1. Реакция между дихроматом натрия (\(\text{Na}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\)) и йодидом калия (\(\text{KI}\)) в кислой среде (серная кислота \(\text{H}_2\text{SO}_4\)). Дихромат-ион \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\) (оранжевый) является сильным окислителем, а йодид-ион \(\text{I}^-\) (бесцветный) - восстановителем. В кислой среде \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\) восстанавливается до \(\text{Cr}^{3+}\) (зеленый), а \(\text{I}^-\) окисляется до \(\text{I}_2\) (коричневый раствор). Эта реакция подходит, так как происходит изменение цвета (оранжевый \(\to\) зеленый/коричневый) и газ не выделяется. 2. Реакция между пероксидом водорода (\(\text{H}_2\text{O}_2\)) и йодидом калия (\(\text{KI}\)) в кислой среде (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)). Пероксид водорода может быть как окислителем, так и восстановителем. В данном случае он будет окислителем, окисляя \(\text{I}^-\) до \(\text{I}_2\). \(\text{H}_2\text{O}_2\) (бесцветный) + \(\text{I}^-\) (бесцветный) \(\to\) \(\text{I}_2\) (коричневый). Эта реакция также подходит, так как происходит изменение цвета и газ не выделяется. 3. Реакция между дихроматом натрия (\(\text{Na}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\)) и пероксидом водорода (\(\text{H}_2\text{O}_2\)) в кислой среде (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)). В этой реакции образуется синий пероксокомплекс хрома \(\text{CrO}_5\), который неустойчив и разлагается. Это также сопровождается изменением цвета, но может быть сложнее для школьного уровня. Выберем реакцию между дихроматом натрия и йодидом калия в кислой среде, так как она является классическим примером и хорошо подходит под условия.

Уравнение реакции

Реакция между дихроматом натрия, йодидом калия и серной кислотой:

\[\text{Na}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + 6\text{KI} + 7\text{H}_2\text{SO}_4 \to \text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{I}_2 + \text{Na}_2\text{SO}_4 + 3\text{K}_2\text{SO}_4 + 7\text{H}_2\text{O}\]

Электронный баланс

Определим степени окисления элементов, которые изменяются:

В \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\) хром имеет степень окисления \(+6\).

В \(\text{I}^-\) йод имеет степень окисления \(-1\).

В \(\text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3\) хром имеет степень окисления \(+3\).

В \(\text{I}_2\) йод имеет степень окисления \(0\).

Процесс восстановления (окислитель принимает электроны):

\[\text{Cr}_2^{+6}\text{O}_7^{2-} + 14\text{H}^+ + 6\text{e}^- \to 2\text{Cr}^{+3} + 7\text{H}_2\text{O}\]

Здесь хром из степени окисления \(+6\) переходит в \(+3\). Каждый атом хрома принимает 3 электрона. Так как в дихромате 2 атома хрома, то всего принимается \(2 \times 3 = 6\) электронов.

Процесс окисления (восстановитель отдает электроны):

\[2\text{I}^- - 2\text{e}^- \to \text{I}_2^0\]

Здесь йод из степени окисления \(-1\) переходит в \(0\). Каждый атом йода отдает 1 электрон. Так как образуется молекула \(\text{I}_2\), то 2 атома йода отдают \(2 \times 1 = 2\) электрона.

Для составления электронного баланса найдем наименьшее общее кратное для числа принятых и отданных электронов (6 и 2). НОК(6, 2) = 6.

Умножим процесс восстановления на 1:

\[\text{Cr}_2^{+6} + 6\text{e}^- \to 2\text{Cr}^{+3} \quad | \quad 1\]

Умножим процесс окисления на 3:

\[2\text{I}^- - 2\text{e}^- \to \text{I}_2^0 \quad | \quad 3\]

Получаем:

\[\text{Cr}_2^{+6} + 6\text{e}^- \to 2\text{Cr}^{+3}\] \[6\text{I}^- - 6\text{e}^- \to 3\text{I}_2^0\]

Окислитель и восстановитель

Окислитель: \(\text{Na}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\) (или \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\) ион), так как хром в его составе понижает степень окисления с \(+6\) до \(+3\).

Восстановитель: \(\text{KI}\) (или \(\text{I}^-\) ион), так как йод в его составе повышает степень окисления с \(-1\) до \(0\).

Процессы окисления и восстановления

Процесс окисления: \(2\text{I}^- - 2\text{e}^- \to \text{I}_2^0\)

Процесс восстановления: \(\text{Cr}_2^{+6}\text{O}_7^{2-} + 14\text{H}^+ + 6\text{e}^- \to 2\text{Cr}^{+3} + 7\text{H}_2\text{O}\)