Номер 10, страница 106 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

10. Рассчитайте количество (моль) вещества и число электронов, которые перейдут от восстановителя к окислителю при полном растворении в серной кислоте алюминия массой 2,7 г.

*Подготовьте сообщение «Окислительно-восстановительные процессы в природе, технике, быту».

10. Рассчитайте количество (моль) вещества и число электронов, которые перейдут от восстановителя к окислителю при полном растворении в серной кислоте алюминия массой 2,7 г.

Дано:

Масса алюминия: $m(Al) = 2.7$ г

Молярная масса алюминия: $M(Al) = 27$ г/моль

Число Авогадро: $N_A = 6.02 \times 10^{23}$ моль^-1

Найти:

Количество вещества электронов: $n(e^-)$ - ?

Число электронов: $N(e^-)$ - ?

Решение:

При растворении алюминия в серной кислоте происходит окислительно-восстановительная реакция. Запишем уравнение реакции (для разбавленной кислоты):

$2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2\uparrow$

Определим степени окисления элементов, чтобы выявить окислитель и восстановитель:

$2\overset{0}{Al} + 3\overset{+1}{H}_2\overset{+6}{S}\overset{-2}{O}_4 \rightarrow \overset{+3}{Al}_2(\overset{+6}{S}\overset{-2}{O}_4)_3 + 3\overset{0}{H}_2\uparrow$

Алюминий ($Al$) повышает свою степень окисления с 0 до +3. Он отдает электроны, следовательно, является восстановителем. Запишем полуреакцию окисления:

$\overset{0}{Al} - 3e^- \rightarrow \overset{+3}{Al}$

Водород ($H$) в составе серной кислоты понижает свою степень окисления с +1 до 0. Он принимает электроны, следовательно, ионы водорода ($H^+$) являются окислителем. Запишем полуреакцию восстановления:

$2\overset{+1}{H} + 2e^- \rightarrow \overset{0}{H}_2$

Из полуреакции окисления видно, что 1 атом алюминия отдает 3 электрона. Соответственно, 1 моль алюминия отдает 3 моль электронов.

1. Найдем количество вещества (моль) алюминия, вступившего в реакцию, по формуле $n = \frac{m}{M}$:

$n(Al) = \frac{2.7 \text{ г}}{27 \text{ г/моль}} = 0.1$ моль.

2. Рассчитаем количество вещества (моль) электронов, которые перешли от восстановителя (алюминия) к окислителю (ионам водорода). Так как 1 моль Al отдает 3 моль электронов, то 0,1 моль Al отдаст:

$n(e^-) = 3 \times n(Al) = 3 \times 0.1 \text{ моль} = 0.3$ моль.

3. Теперь найдем общее число электронов ($N$), используя постоянную Авогадро ($N_A$):

$N(e^-) = n(e^-) \times N_A$

$N(e^-) = 0.3 \text{ моль} \times 6.02 \times 10^{23} \text{ моль}^{-1} = 1.806 \times 10^{23}$.

Ответ: количество вещества электронов, перешедших от восстановителя к окислителю, составляет 0,3 моль; число электронов равно $1.806 \times 10^{23}$.

*Подготовьте сообщение «Окислительно-восстановительные процессы в природе, технике, быту».

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это химические реакции, в ходе которых происходит изменение степеней окисления атомов за счет перераспределения электронов между ними. Эти процессы являются фундаментальными и лежат в основе множества явлений и технологий, окружающих нас.

Окислительно-восстановительные процессы в природе

Фотосинтез: Ключевой процесс для жизни на Земле, в ходе которого растения и некоторые другие организмы преобразуют световую энергию в химическую. Углекислый газ ($CO_2$) восстанавливается до глюкозы ($C_6H_{12}O_6$), а вода ($H_2O$) окисляется до кислорода ($O_2$).

Дыхание: Процесс, при котором живые организмы окисляют органические вещества (например, глюкозу) кислородом для получения энергии, необходимой для жизнедеятельности. При этом образуются углекислый газ и вода.

Гниение и горение: Процессы разложения органических веществ, являющиеся медленным (гниение) или быстрым (горение) окислением под действием кислорода воздуха и микроорганизмов.

Круговорот азота: Включает в себя процессы фиксации атмосферного азота (восстановление $N_2$ до аммиака $NH_3$) и нитрификации (окисление аммиака до нитратов), которые осуществляются бактериями.

Окислительно-восстановительные процессы в технике

Металлургия: Получение металлов из руд является классическим примером восстановительных процессов. Например, в доменной печи железо восстанавливают из оксидов ($Fe_2O_3$) с помощью угарного газа ($CO$).

Электрохимия:

Гальванические элементы (батарейки, аккумуляторы): В них энергия спонтанной ОВР преобразуется в электрическую энергию.

Электролиз: Процесс, при котором под действием электрического тока осуществляются неспонтанные ОВР. Используется для получения чистых веществ (алюминия, хлора, натрия) и для нанесения защитных покрытий (гальваностегия).

Коррозия металлов: Самопроизвольное разрушение металлов в результате их химического взаимодействия с окружающей средой, в основе которого лежит процесс окисления металла (например, ржавление железа).

Производство химических веществ: Синтез аммиака, серной и азотной кислот и многих других важных промышленных продуктов основан на ОВР.

Окислительно-восстановительные процессы в быту

Отбеливание и дезинфекция: Бытовые отбеливатели (например, "Белизна" на основе гипохлорита натрия $NaClO$) и антисептики (пероксид водорода $H_2O_2$, перманганат калия $KMnO_4$) являются сильными окислителями, разрушающими молекулы красителей и уничтожающими микроорганизмы.

Сжигание топлива: Горение природного газа в плите, дров в камине, бензина в двигателе автомобиля — это быстрые экзотермические ОВР, обеспечивающие нас теплом и энергией.

Приготовление пищи: Потемнение разрезанного яблока на воздухе — результат окисления ферментами соединений, содержащих железо. Карамелизация сахара при нагревании также включает окислительно-восстановительные стадии.

Фотография: В основе классической черно-белой фотографии лежит восстановление ионов серебра ($Ag^+$) из его солей до металлического серебра ($Ag$) под действием света и проявителя.

Таким образом, окислительно-восстановительные реакции играют всеобъемлющую роль, являясь движущей силой как жизненно важных природных циклов, так и ключевых технологических достижений человечества.