Серная кислота и натрия хлорид: NaCl + H2SO4 = ? уравнение реакции

Окислительно-восстановительные реакции между ионами галогенидов и концентрированной серной кислотой

На этой странице описаны и объяснены окислительно-восстановительные реакции с участием ионов галогенидов и концентрированной серной кислоты. Эти реакции используются для обсуждения тенденции снижения способности ионов при переходе от фторида к хлориду, бромиду и йодиду.

Факты

Существует два разных типа реакции, которые могут протекать, когда концентрированную серную кислоту добавляют к твердому ионному галогениду, такому как фторид, хлорид, бромид или йодид натрия. Концентрированная серная кислота может действовать и как кислота, и как окислитель.

Концентрированная серная кислота, действующая как кислота

Концентрированная серная кислота отдает ион водорода иону галогенида с образованием галогенида водорода. Поскольку это газ, он немедленно выходит из системы. Если галогеноводород подвергается воздействию влажного воздуха, вы видите его в виде паров.

Например, концентрированная серная кислота реагирует с твердым хлоридом натрия на холоде с образованием хлороводорода и гидросульфата натрия.

NaCl + H ₂ SO ₄   HCl + NaHSO ₄

Все галогенид-ионы (фторид, хлорид, бромид и йодид) ведут себя одинаково.

Если вы хотите узнать о них немного больше, перейдите по этой ссылке и используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы вернуться на эту страницу.

Концентрированная серная кислота, действующая как окислитель

С ионами фтора или хлорида

Концентрированная серная кислота не является достаточно сильным окислителем для окисления ионов фтора или хлорида. В этих случаях все, что вы получаете, — это паровые пары галогеноводорода — фтороводорода или хлороводорода.

Можно посмотреть на это иначе — с точки зрения галоид-ионов. Ионы фтора и хлорида недостаточно сильные восстановители для восстановления серной кислоты.

Как ни посмотри, все, что ты увидишь, — это галогеноводород!

Однако это не так в отношении бромидов и йодидов.

С ионами брома

Ионы брома являются достаточно сильными восстановителями для восстановления концентрированной серной кислоты. При этом ионы брома окисляются до брома.

2Br ^—    Br ₂  +  2e ^—

Ионы брома восстанавливают серную кислоту до газообразного диоксида серы. Это уменьшение степени окисления серы с +6 в серной кислоте до +4 в диоксиде серы.

H ₂ SO ₄  + 2H ⁺  +  2e ^—     SO ₂  +  2H ₂ O

Вы можете объединить эти два полууравнения, чтобы получить общее ионное уравнение реакции:

H ₂ SO ₄  +  2H ⁺  +  2Br ^—    Br ₂  +   SO ₂ 3 0 9 0 1 2H 29010

То, что вы видите в этой реакции, представляет собой пары паров бромистого водорода, загрязненные коричневыми парами брома. Диоксид серы — бесцветный газ, поэтому вы не можете наблюдать его присутствие напрямую.

С ионами йодида

Иодид-ионы являются более сильными восстановителями, чем бромид-ионы. Они окисляются до йода концентрированной серной кислотой.

2I ^—    I ₂  +  2e ^—

Восстановление серной кислоты сложнее, чем раньше. Иодид-ионы являются достаточно сильными восстановителями, чтобы восстановить его

• сначала в диоксид серы (степень окисления серы = +4)

• затем к самой сере (степень окисления = 0)

• и вплоть до сероводорода (степень окисления серы = -2).

Наиболее важным из этой смеси продуктов восстановления, вероятно, является сероводород. Полууравнение для его образования:

H ₂ SO ₄  + 8H ⁺  +  8e ^—    H ₂ S  +  4H ₂ O

Объединение этих двух последних полууравнений дает:

H ₂ SO ₄  +  8H ⁺  +  8I ^—    4I ₂  +   H ₂ S  + 1 04H 2 90

На этот раз вы видите следы паров йодистого водорода, но в основном много йода. Реакция является экзотермической, поэтому образуются фиолетовые пары йода и, вероятно, темно-серое твердое вещество йода, конденсирующееся вокруг верхней части пробирки. Там также будут красные цвета, где йод вступает в контакт с твердым йодидом.

Красный цвет обусловлен ионом I ₃ ^— , образованным в результате реакции между I ₂ молекул и I ^— ионов.

Вы не увидите бесцветный сероводородный газ, но можете ощутить его запах «тухлых яиц», если вы достаточно глупы, чтобы учуять сильно ядовитые выделяющиеся газы!

Резюме тенденции снижения способности

• Ионы фтора и хлорида не восстанавливают концентрированную серную кислоту.

• Ионы брома восстанавливают серную кислоту до двуокиси серы. При этом ионы брома окисляются до брома.

• Иодид-ионы восстанавливают серную кислоту до смеси продуктов, включая сероводород. Иодид-ионы окисляются до йода.

• Восстановительная способность галоид-ионов увеличивается по мере снижения группы.

Объяснение тенденции

Слишком упрощенное объяснение

Это работает (да и то не очень хорошо!) только в том случае, если вы игнорируете ионы фтора. Аргумент звучит так:

Когда ион галогена действует как восстановитель, он отдает электроны чему-то другому. Это означает, что сам галогенид-ион должен терять электроны.

Чем больше ион галогенида, тем дальше внешние электроны от ядра и тем больше они экранируются от него внутренними электронами. Следовательно, ионам галогенидов становится легче терять электроны по мере продвижения вниз по Группе, потому что между внешними электронами и ядром меньше притяжения.

Звучит убедительно, но это только часть истории. Нам нужно более подробно рассмотреть энергетику изменений.

Остальная часть этой страницы будет довольно сложной. Было бы целесообразно выяснить, нужно ли вам знать это. (Хотя чем ближе вы можете подобраться к истине, тем больше удовольствия!)

Великобритания Учащимся уровня A’ следует искать свои программы, прошлые экзаменационные работы, схемы оценок и любые другие вспомогательные материалы, доступные в их экзаменационной комиссии. Если у вас ничего из этого нет, вы можете найти веб-адрес своей экзаменационной комиссии, перейдя по этой ссылке. Студенты в других местах должны найти эквивалентную информацию из своих собственных источников.

Более подробное объяснение

Посмотрите, как меняется изменение энтальпии от галогена к галогену

Нам нужно сравнить количество тепла, выделяющегося или поглощаемого при превращении твердого галогенида (например, хлорида натрия) в молекулы галогена.

Возьмем в качестве примера хлорид натрия:

• Нам нужна энергия, чтобы разрушить притяжение между ионами в хлориде натрия. Другими словами, нам нужно ввести энтальпию решетки.

• Нам нужна энергия, чтобы удалить электрон из иона хлорида. Это противоположно сродству к электрону хлора. Вы можете получить эту цифру, найдя сродство к электрону в Книге данных и придав ему положительный, а не отрицательный знак.

• Затем мы восстанавливаем часть энергии, когда атомы хлора превращаются в молекулы хлора. Энергия высвобождается при образовании связей.

  Хлор просто потому, что это газ. В случае с бромом и йодом также будет выделяться тепло при их конденсации в жидкое или твердое состояние. Чтобы принять это во внимание, лучше думать об этом с точки зрения энергии атомизации, а не энергии связи. Нам нужно число, обратное энергии атомизации.

  Энергия атомизации — это энергия, необходимая для образования 1 моля изолированных газообразных атомов, начиная с элемента в его стандартном состоянии (например, газ для хлора и жидкость для брома — оба они как X ₂ ).

Посмотрите внимательно на схему, чтобы увидеть, как все это сочетается друг с другом:

Если вы не уверены в энергетических циклах и логике, лежащей в их основе (закон Гесса), вы можете изучить раздел энергетики Chemguide или мою книгу по химическим расчетам.

Что нам нужно сделать, так это рассчитать изменение энтальпии, показанное зеленой стрелкой на диаграмме для каждого из галогенов, чтобы мы могли провести сравнение. Диаграмма показывает, что общее изменение с участием ионов галогенидов является эндотермическим — зеленая стрелка указывает вверх в сторону более высокой энергии.

Это не является полным изменением энтальпии всей реакции. Тепло будет выделяться, когда происходят изменения с участием серной кислоты. Это будет то же самое, независимо от того, о каком галогене вы говорите. Полное изменение энтальпии будет суммой изменений энтальпии для полуреакции галогенид-иона и полуреакции серной кислоты.

В таблице показаны изменения энергии от галогена к галогену. Мы предполагаем, что вы начинаете с твердого галогенида натрия . Значения энтальпий решетки для других твердых галогенидов будут другими, но картина останется той же.

Общее изменение энтальпии галогенидной полуреакции:

Посмотрите на последний столбец цифр.

Обратите внимание, что сумма этих изменений энтальпии становится менее эндотермической по мере продвижения вниз по группе. Это означает, что общее изменение (включая серную кислоту) будет становиться легче по мере того, как вы спускаетесь по Группе.

Количество теплоты, выделяемое полуреакцией с участием серной кислоты, должно быть достаточно большим, чтобы сделать возможными реакции с бромидом или йодидом, но недостаточным, чтобы компенсировать более положительные значения, получаемые полуреакциями фторида и хлорида. .

Я не знаю, каково реальное значение полуреакции серной кислоты с образованием диоксида серы, но оно должно быть примерно -980 кДж моль ^-1 . Попробуйте эффект объединения этого значения с общими значениями в таблице, чтобы увидеть, что происходит с полным изменением энтальпии реакции для каждого галогена.

Изучение изменений в различных терминах энергии

Какие отдельные значения энергии в таблице являются наиболее важными для того, чтобы сделать полуреакцию галогена менее эндотермической по мере продвижения вниз по Группе?

Преобразование хлора в йод

Рассматривая галогены от хлора до йода, больше всего упала энтальпия решетки. Она падает на 87 кДж моль ^-1 . Напротив, теплота, необходимая для удаления электрона, уменьшилась только на 54 кДж·моль 9 .0160 -1 .

Оба эти условия имеют значение, но более важным является падение энтальпии решетки. Это падает, потому что ионы становятся больше. Это означает, что они не так близки друг к другу, и поэтому притяжение между положительными и отрицательными ионами в твердой решетке становится меньше.

Упрощенное объяснение, которое мы упоминали ранее, концентрируется на менее важном уменьшении количества энергии, необходимой для отделения электрона от иона. Это заблуждение!

Фтор

Ионы фтора очень трудно окисляются до фтора. Таблица показывает, что это не имеет ничего общего с количеством энергии, необходимой для отрыва электрона от иона фтора. На самом деле легче отнять электрон у фторид-иона, чем у хлорид-иона. В этом случае делать обобщение о том, что электрон становится легче удалить по мере того, как ион становится больше, просто неправильно!

Ионы фтора настолько малы, что электроны испытывают ненормальное отталкивание друг от друга. Это перевешивает эффект их близости к ядру и облегчает их удаление, чем можно было бы ожидать.

Есть две важные причины, по которым ионы фтора так трудно окисляются.

Во-первых, это сравнительно очень высокая энтальпия кристаллической решетки твердого фторида. Это связано с небольшим размером иона фтора, а это означает, что положительные и отрицательные ионы расположены очень близко друг к другу и сильно притягиваются друг к другу.

Другим фактором является небольшое количество тепла, которое выделяется, когда атомы фтора объединяются в молекулы фтора. (Прокрутите назад и снова посмотрите на таблицу.)

Это происходит из-за низкой энтальпии связи F-F. Причина такой низкой энтальпии связи обсуждается на отдельной странице.

Что, если ионы галогенидов были бы в растворе, а не в твердом состоянии?

Мы сосредоточились на энергетике процесса, начиная с твердых ионов галогенидов, потому что это то, что вы используете, если пытаетесь окислить их с помощью концентрированной серной кислоты. А если окислить их в растворе каким-нибудь другим окислителем?

Тенденция точно такая же. Ионы фтора трудно окислить, и это становится легче, когда вы спускаетесь по группе к ионам йода. С другой стороны, ионы фтора не являются хорошими восстановителями, а ионы йода — хорошими восстановителями.

На этот раз объяснение должно начинаться с гидратированных ионов в растворе, а не с твердых ионов. В некотором смысле это уже было сделано на другой странице.

Фтор является очень сильным окислителем, потому что он очень легко образует свой отрицательный ион в растворе. Это означает, что повернуть процесс вспять будет энергетически сложно.

Напротив, по энергетическим причинам, которые вы найдете обсуждаемыми, йод относительно неохотно образует свой отрицательный ион в растворе. Это означает, что будет относительно легко убедить его снова вернуться к молекулам йода.

Поскольку теперь вы будете думать об обратном процессах, описанных на этой странице, вам придется поменять знак всех исследованных энергетических изменений. Если бы я был на вашем месте, я бы не стал заниматься этим, если для этого нет какой-то неопровержимой причины!