Задача 1.
Определить степень окисления комплексообразователя, координационное число и дать название комплексным соединениям:
а) \(\text{H}[\text{Au}(\text{Cl})_4]\)
б) \(\text{K}_2[\text{NbF}_7]\)
Решение:
а) \(\text{H}[\text{Au}(\text{Cl})_4]\)
- Степень окисления комплексообразователя (Au):
- Координационное число:
- Название:
Водород (H) имеет степень окисления +1.
Хлор (Cl) в комплексных соединениях обычно имеет степень окисления -1.
Пусть степень окисления золота (Au) будет \(x\).
Тогда: \(+1 + x + 4 \cdot (-1) = 0\)
\(1 + x - 4 = 0\)
\(x - 3 = 0\)
\(x = +3\)
Степень окисления золота (Au) равна +3.
Координационное число равно числу лигандов, непосредственно связанных с комплексообразователем. В данном случае, 4 атома хлора (Cl) являются лигандами.
Координационное число равно 4.
Это комплексная кислота. Лиганды хлорид-ионы называются "тетрахлоро". Комплексообразователь золото в анионном комплексе называется "аурат". Степень окисления указывается римскими цифрами в скобках.
Название: Тетрахлороаурат(III) водорода (или тетрахлорозолотая(III) кислота).
б) \(\text{K}_2[\text{NbF}_7]\)
- Степень окисления комплексообразователя (Nb):
- Координационное число:
- Название:
Калий (K) имеет степень окисления +1.
Фтор (F) в комплексных соединениях обычно имеет степень окисления -1.
Пусть степень окисления ниобия (Nb) будет \(x\).
Тогда: \(2 \cdot (+1) + x + 7 \cdot (-1) = 0\)
\(2 + x - 7 = 0\)
\(x - 5 = 0\)
\(x = +5\)
Степень окисления ниобия (Nb) равна +5.
Координационное число равно числу лигандов. В данном случае, 7 атомов фтора (F) являются лигандами.
Координационное число равно 7.
Это комплексная соль. Лиганды фторид-ионы называются "гептафторо". Комплексообразователь ниобий в анионном комплексе называется "ниобат". Степень окисления указывается римскими цифрами в скобках.
Название: Гептафторониобат(V) калия.
Задача 2.
Написать координационные формулы соединений:
а) трихлоротриамминкобальт (III)
б) гексацианоферрат (III) калия
Решение:
а) трихлоротриамминкобальт (III)
- Комплексообразователь: Кобальт (Co) со степенью окисления +3.
- Лиганды:
- Трихлоро: 3 иона хлора (\(\text{Cl}^-\)).
- Триаммин: 3 молекулы аммиака (\(\text{NH}_3\)).
- Координационное число: \(3 (\text{Cl}) + 3 (\text{NH}_3) = 6\).
- Заряд комплексного иона: \(+3 (\text{Co}) + 3 \cdot (-1) (\text{Cl}) + 3 \cdot (0) (\text{NH}_3) = +3 - 3 + 0 = 0\).
- Координационная формула: \([\text{Co}(\text{NH}_3)_3\text{Cl}_3]\)
Поскольку заряд комплексного иона равен 0, это нейтральный комплекс.
б) гексацианоферрат (III) калия
- Комплексообразователь: Железо (Fe) со степенью окисления +3.
- Лиганды:
- Гексациано: 6 цианид-ионов (\(\text{CN}^-\)).
- Координационное число: 6.
- Заряд комплексного иона: \(+3 (\text{Fe}) + 6 \cdot (-1) (\text{CN}) = +3 - 6 = -3\).
- Координационная формула: \(\text{K}_3[\text{Fe}(\text{CN})_6]\)
Поскольку заряд комплексного иона равен -3, для нейтрализации требуется 3 иона калия (\(\text{K}^+\)).
Задача 3.
Сколько молей аммиака должно содержаться в 1 л 0,1 М раствора нитрата диамминсеребра (I) (\(K_н = 9,3 \cdot 10^{-8}\)), чтобы прибавление 1,5 г KCl не вызвало выпадение осадка \(\text{AgCl}\) (\(\text{ПР}(\text{AgCl}) = 1,8 \cdot 10^{-10}\)).
Дано:
- Объем раствора \(V = 1\) л
- Концентрация нитрата диамминсеребра (I) \(C_{компл} = 0,1\) М
- Константа нестойкости комплекса \(\text{K}_н = 9,3 \cdot 10^{-8}\)
- Масса \(\text{KCl}\) \(m_{\text{KCl}} = 1,5\) г
- Произведение растворимости \(\text{ПР}(\text{AgCl}) = 1,8 \cdot 10^{-10}\)
Найти:
- Количество молей аммиака \(n_{\text{NH}_3}\)
Решение:
1. Определим молярную массу \(\text{KCl}\).
\(M(\text{KCl}) = M(\text{K}) + M(\text{Cl}) = 39 + 35,5 = 74,5\) г/моль.
2. Вычислим количество молей \(\text{KCl}\) и концентрацию ионов \(\text{Cl}^-\) после его добавления.
\[n_{\text{KCl}} = \frac{m_{\text{KCl}}}{M(\text{KCl})} = \frac{1,5 \text{ г}}{74,5 \text{ г/моль}} \approx 0,0201 \text{ моль}\]
Поскольку \(\text{KCl}\) полностью диссоциирует, \([\text{Cl}^-] = n_{\text{KCl}} / V = 0,0201 \text{ моль} / 1 \text{ л} = 0,0201 \text{ моль/л}\).
3. Для того чтобы осадок \(\text{AgCl}\) не выпадал, ионное произведение не должно превышать произведение растворимости:
\[[\text{Ag}^+] \cdot [\text{Cl}^-] \le \text{ПР}(\text{AgCl})\]
Отсюда найдем максимально допустимую концентрацию ионов \(\text{Ag}^+\):
\[[\text{Ag}^+] \le \frac{\text{ПР}(\text{AgCl})}{[\text{Cl}^-]} = \frac{1,8 \cdot 10^{-10}}{0,0201} \approx 8,955 \cdot 10^{-9} \text{ моль/л}\]
4. Запишем уравнение диссоциации комплексного иона диамминсеребра (I):
\[[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+ \rightleftharpoons \text{Ag}^+ + 2\text{NH}_3\]
5. Запишем выражение для константы нестойкости комплекса:
\[K_н = \frac{[\text{Ag}^+] \cdot [\text{NH}_3]^2}{[[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+]}\]
6. Из этого выражения найдем необходимую концентрацию аммиака \([\text{NH}_3]\).
Концентрация комплексного иона \([[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+]\) равна исходной концентрации нитрата диамминсеребра, так как комплекс достаточно устойчив и его диссоциация незначительна по сравнению с исходной концентрацией.
\[[[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+] = C_{компл} = 0,1 \text{ моль/л}\]
\[[\text{NH}_3]^2 = \frac{K_н \cdot [[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+]}{[\text{Ag}^+]}\]
\[[\text{NH}_3]^2 = \frac{9,3 \cdot 10^{-8} \cdot 0,1}{8,955 \cdot 10^{-9}} = \frac{9,3 \cdot 10^{-9}}{8,955 \cdot 10^{-9}} \approx 1,0385\]
\[[\text{NH}_3] = \sqrt{1,0385} \approx 1,019 \text{ моль/л}\]
7. Поскольку объем раствора равен 1 л, количество молей аммиака равно его концентрации.
\[n_{\text{NH}_3} = [\text{NH}_3] \cdot V = 1,019 \text{ моль/л} \cdot 1 \text{ л} = 1,019 \text{ моль}\]
Ответ: Должно содержаться примерно 1,019 моль аммиака.
Задача 4.
Электролиз раствора \(\text{Hg}(\text{NO}_3)_2\) с инертными электродами.
Решение:
1. Запишем диссоциацию соли в растворе:
\[\text{Hg}(\text{NO}_3)_2 \rightarrow \text{Hg}^{2+} + 2\text{NO}_3^-\]
В растворе также присутствуют молекулы воды, которые могут диссоциировать:
\[\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{OH}^-\]
2. Определим процессы на катоде (отрицательный электрод).
На катоде происходит восстановление. Возможны следующие реакции:
- Восстановление ионов ртути: \(\text{Hg}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Hg}\)
- Восстановление воды: \(2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2 \uparrow + 2\text{OH}^-\)
Поскольку ртуть находится в ряду активности металлов после водорода, ионы \(\text{Hg}^{2+}\) восстанавливаются легче, чем вода. Поэтому на катоде будет выделяться металлическая ртуть.
Катод: \(\text{Hg}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Hg}\)
3. Определим процессы на аноде (положительный электрод).
На аноде происходит окисление. Возможны следующие реакции:
- Окисление нитрат-ионов: \(\text{NO}_3^-\) (нитрат-ионы являются трудноокисляемыми, поэтому они не окисляются в водном растворе).
- Окисление воды: \(2\text{H}_2\text{O} - 4e^- \rightarrow \text{O}_2 \uparrow + 4\text{H}^+\)
Поскольку нитрат-ионы не окисляются, на аноде будет окисляться вода с выделением кислорода.
Анод: \(2\text{H}_2\text{O} - 4e^- \rightarrow \text{O}_2 \uparrow + 4\text{H}^+\)
4. Суммарное уравнение электролиза.
Для уравнивания электронов, умножим катодную реакцию на 2:
Катод: \(2\text{Hg}^{2+} + 4e^- \rightarrow 2\text{Hg}\)
Анод: \(2\text{H}_2\text{O} - 4e^- \rightarrow \text{O}_2 \uparrow + 4\text{H}^+\)
Сложим реакции:
\[2\text{Hg}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{электролиз}} 2\text{Hg} + \text{O}_2 \uparrow + 4\text{H}^+\]
Учитывая, что ионы \(\text{Hg}^{2+}\) поступают из \(\text{Hg}(\text{NO}_3)_2\), а ионы \(\text{H}^+\) образуются на аноде и могут соединяться с \(\text{NO}_3^-\) (которые остаются в растворе) образуя азотную кислоту, можно записать:
\[2\text{Hg}(\text{NO}_3)_2 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{электролиз}} 2\text{Hg} + \text{O}_2 \uparrow + 4\text{HNO}_3\]
Ответ:
- На катоде выделяется металлическая ртуть: \(\text{Hg}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Hg}\)
- На аноде выделяется кислород: \(2\text{H}_2\text{O} - 4e^- \rightarrow \text{O}_2 \uparrow + 4\text{H}^+\)
- Суммарное уравнение электролиза: \(2\text{Hg}(\text{NO}_3)_2 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{электролиз}} 2\text{Hg} + \text{O}_2 \uparrow + 4\text{HNO}_3\)