Александр Кудрявцев - Составление химических уравнений
Примером гальванического элемента, дающего ток за счет идущего в нем окислительно-восстановительного процесса, в котором не участвует материал электродов, может служить элемент, у которого электродами являются две платиновые пластинки, опущенные в растворы SnCl2 и FeCl3. В этом элементе по проводнику будет идти электрический ток в результате следующей реакции:
SnCl2 + 2FeCl3 = SnCl4 + 2FeCl2
Происходящий в подобных гальванических элементах процесс по существу не отличается от химического процесса, протекающего в медно-цинковом и в других элементах. В обоих случаях имеют место окислительно-восстановительные процессы, но в цепи между ионами олова и ионами железа металл электрода (платина) играет роль переносчика электронов, тогда как в медно-цинковом элементе электроды сами вступают в реакцию.
Схему элемента для приведенной выше реакции можно представить следующим образом:
На отрицательном полюсе элемента происходит процесс отдачи электронов, т. е. окисление
Sn2+ − 2e → Sn4+
на положительном полюсе — их присоединение, т. е. восстановление
Fe3+ + e → Fe2+
Отдельные полуэлементы гальванического элемента содержат не только восстановитель или окислитель, но и новые вещества, которые образуются в результате реакции. Так, например, в рассмотренном нами примере в полуэлементе находятся не только ионы Sn2+, вступающие в реакцию, но и образующиеся из них ионы Sn4+. Исходные и полученные в результате реакции ионы олова образуют окислительно-восстановительную пару Sn2+ | Sn4+, которая является одним из полуэлементов. Вторым полуэлементом в данном случае является окислительно-восстановительная пара Fe3+ | Fe2+.
В каждой окислительно-восстановительной паре различают окисленную форму, образованную элементом, находящимся в более высокой степени окисления (Sn4+, Fe3+), и восстановленную форму, образованную ионами более низкой степени окисления (Sn2+, Fe2+). Окисленная форма окислительно-восстановительной пары является окислителем, а восстановленная — восстановителем.
Окислительно-восстановительные потенциалы пар зависят не только от природы восстановителя и окислителя, но и от их концентраций. Так, например, в окислительно-восстановительной паре Fe3+ | Fe2+ активность ионов Fe3+ тем больше, чем выше их концентрация в растворе и чем меньше концентрация ионов Fe2+. Вследствие этого и окислительно-восстановительный потенциал данной пары возрастает с увеличением отношения $\frac{\mathrm{Fe^{3+}}}{\mathrm{Fe^{2+}}}$, т. е. с увеличением отношения концентраций окисленной и восстановленной форм.
Окислительно-восстановительный потенциал (E) в зависимости от различного соотношения между концентрациями окислителя и восстановителя вычисляется по формуле:
$$E = E_0 + \frac{RT}{nF}\ln\frac{C_{\text{окисл}}}{C_{\text{восст}}}, \tag{2}$$
где E — окислительно-восстановительный потенциал данной пары, в; Cокисл — концентрация (или, точнее, активность) окисленной формы; Cвосст — концентрация (или, точнее, активность) восстановленной формы; R — газовая постоянная, равная 8,314 дж; T — абсолютная температура (273° + t°), °K; F — число Фарадея, равное 96 500 к (более точно 96 491,4 ± 1,1 к); n — число электронов, отдаваемых или получаемых при превращении восстановленной формы в окисленную (или обратно); E0 — нормальный или стандартный потенциал (измеренный при Cокисл = Cвосст).
В случае Cокисл = Cвосст $\ln\frac{C_{\text{окисл}}}{C_{\text{восст}}} = 0$ и тогда в формуле (2) E = E0.
Если в формулу (2) подставить числовые значения известных констант и от натуральных логарифмов перейти к десятичным, то при t = 18°C получим:
$$E = E_0 + \frac{0{,}058}{n}\lg\frac{C_{\text{окисл}}}{C_{\text{восст}}}. \tag{3}$$
При T = 298 °K (t = 25°C) уравнение примет вид:
$$E = E_0 + \frac{0{,}059}{n}\lg\frac{C_{\text{окисл}}}{C_{\text{восст}}}.$$
Если в этом уравнении концентрация оксиленной формы больше концентрации восстановленной формы, т. е. Cокисл > Cвосст, то величина потенциала E будет больше нормального потенциала, т. е. E > E0.
С увеличением отношения $\frac{C_{\text{окисл}}}{C_{\text{восст}}}$ потенциал E увеличивается, и, наоборот, если в растворе Cокисл < Cвосст, то E < E0.
Нормальный окислительный потенциал Fe3+ | Fe2+ = 0,771 в.
Если концентрация Fe2+ в 10 раз больше концентрации Fe3+, то окислительный потенциал Fe3+ | Fe2+ равен:
$$E_{\mathrm{Fe^{3+}}\,|\,\mathrm{Fe^{2+}}} = E_0 + \frac{0{,}058}{n}\lg\frac{[\mathrm{Fe^{3+}}]}{[\mathrm{Fe^{2+}}]} = 0{,}771 + \frac{0{,}058}{1}\lg\frac{1}{10} =$$
$$= 0{,}771 + 0{,}058\lg 10^{-1} = 0{,}771 - 0{,}058 = 0{,}713\ \textit{в}.$$
Если, например, концентрация ионов Fe2+ в 100 раз больше концентрации Fe3+, то потенциал равен 0,655 в, а при тысячекратном преобладании Fe2+ потенциал равен 0,597 в.
Прибавление к системе Fe3+ | Fe2+ фтористого натрия (который с ионами Fe3+ дает комплексный анион) может настолько понизить окислительный потенциал этой системы, что при смешении с раствором иода последний будет играть роль окислителя (хотя нормальный окислительный потенциал иода ниже потенциала Fe3+ | Fe2+).
Кроме концентрации окислителя и восстановителя, на величину окислительно-восстановительного потенциала оказывает влияние концентрация ионов водорода. Так, например, с увеличением концентрации ионов H+ окислительно-восстановительный потенциал таких пар, у которых окисленная форма содержит кислород (MnO4−, CrO42−, Cr2O72−, AsO43−), возрастает, а с уменьшением концентрации ионов H+ падает.
Из приложения 6 видно, что окислительный потенциал кислорода в сильнокислой среде +1,298 в, в слабокислой +0,682 в, а в щелочной +0,401 в. При восстановлении многих окислителей, которые содержат кислород, процесс идет с участием ионов водорода. Поэтому в приложении 6 при восстановлении семивалентного иона марганца до двухвалентного в графе «окислитель» стоит MnO4− + 8H+, в графе «восстановитель» Mn2+ + 4H2O.
Для реакции
MnO4− + 8H+ + 5e− → Mn2+ + 4H2O
окислительный потенциал выражается следующим образом:
$$E = E_0 + \frac{0{,}058}{5}\lg\frac{[\mathrm{MnO_4^-}]\,[\mathrm{H^+}]^8}{[\mathrm{Mn^{2+}}]\,[\mathrm{H_2O}]^4}.$$
Так как концентрация H2O фактически не изменяется, то уравнение окончательно примет вид:
$$E = E_0 + \frac{0{,}058}{5}\lg\frac{[\mathrm{MnO_4^-}]\,[\mathrm{H^+}]^8}{[\mathrm{Mn^{2+}}]}.$$
Если в этом уравнении концентрацию заменить на активность, то
$$E = E_0 + \frac{0{,}058}{5}\lg\frac{a_{\mathrm{MnO_4^-}}\cdot a_{\mathrm{H^+}}^{8}}{a_{\mathrm{Mn^{2+}}}}$$
или в общем виде
$$E = E_0 + \frac{0{,}058}{5}\lg\frac{a_{\text{окисл}}\cdot a_{\mathrm{H^+}}^{m}}{a_{\text{восст}}},$$
где
$$a_{\text{окисл}} = a_{\text{восст}} \quad \text{и} \quad a_{\mathrm{H^+}} = 1\ \textit{г-ион/л}.$$
Зависимостью окислительного потенциала от концентрации ионов водорода (pH среды) пользуются для фракционного окисления анионов галогенидов до свободных галогенов.
При pH от 5 до 6 перманганат окисляет лишь иодиды до иода (не действуя на бромиды и хлориды), при pH 3 (уксусная кислота) окисляются бромиды (хлориды остаются нетронутыми) и только при значительно более высокой кислотности окисляются хлориды.
Если в окислительно-восстановительной реакции не образуются ионы кислорода и не происходит изменения концентрации, то э. д. с. реакции в кислой и щелочной среде одинакова.
Напротив, если в реакции окисления — восстановления образуются ионы кислорода, то наряду с этой реакцией в кислой среде протекает реакция nO2− + n2H+ → nH2O.
В щелочной среде реакция окисления — восстановления сопровождается побочными реакциями:
nO2− + 2nH+ → nH2O
2nH2O → 2nH+ + 2nOH−
Последняя реакция требует затраты работы и понижает э. д. с.
Чем больше числовая величина отрицательного потенциала, тем больше восстановительная способность данной пары, и, наоборот, — чем больше положительный потенциал, тем больше ее окислительная способность (приложение 6).
Зная окислительно-восстановительные потенциалы, можно предвидеть, в какую сторону пойдет окислительно-восстановительный процесс. Известно, что гальванический элемент работает при условии, что разность потенциалов является положительной величиной. Окислительно-восстановительная реакция может протекать в выбранном направлении при том же условии, т. е. если разность потенциалов имеет положительное значение и, следовательно, э. д. с. положительная.
Пример 1
Требуется выяснить, в какую сторону пойдет реакция между двуокисью свинца (PbO2) и иодидом калия (KI) в кислой среде, если концентрация веществ (или, точнее, активность) равна 1 г-ион/л.
Составим уравнение:
2KI + PbO2 + 2H2SO4 = I2 + K2SO4 + PbSO4 + 2H2O
Напишем схему элемента для данной реакции:
$$\mathrm{2I^-}\,|\,\mathrm{I_2}\,\|\,\overset{+4}{\mathrm{Pb}}\mathrm{O_2}\,|\,\overset{+2}{\mathrm{Pb}}$$
Найдем (приложение 6) окислительно-восстановительные потенциалы и э. д. с. реакции: для пары 2I− | I2 E0 = +0,53 в; для пары $\overset{+4}{\mathrm{Pb}}\mathrm{O_2}\,|\,\overset{+2}{\mathrm{Pb}}$ E0 = +1,68 в, поскольку потенциал второй пары больше, чем первой. Роль окислителя будет играть PbO2.
э. д. с. = 1,68 − 0,53 = 1,15 в.
Значит, реакция возможна, так как э. д. с. является величиной положительной (идет она слева направо с напряжением 1,15 в).
Пример 2
Будет ли металлическое серебро растворяться в разбавленной серной кислоте?
Находим потенциалы пар Ag | Ag+ E0 = +0,799 в, H2 | 2H+ E0 = 0,00 и определяем электродвижущую силу реакции:
э. д. с. = 0,00 − 0,799 = −0,799 в.
Следовательно, Ag в разбавленной H2SO4 растворяться не будет, так как э. д. с. имеет отрицательное значение.
Пример 3
Может ли перманганат калия KMnO4 окислить в кислой среде хлорид олова SnCl2, если концентрация их растворов (активность) равна 1 г-ион/л.
Как в первом примере, составляем уравнение реакции:
5SnCl2 + 2KMnO4 + 8H2SO4 =
= 4Sn(SO4)2 + SnCl4 + 2KCl + 2MnCl2 + 8H2O
Пишем схему элемента:
Sn2+ | Sn4+ || MnO4− | Mn2+
Находим (приложение 6) потенциалы пар:
$$\mathrm{MnO_4^-}\,|\,\mathrm{Mn^{2+}} \qquad E_0 = +1{,}51\ \textit{в}.$$
$$\mathrm{Sn^{2+}}\,|\,\mathrm{Sn^{4+}} \qquad E_0 = +0{,}15\ \textit{в}.$$
Вычисляем э. д. с. реакции:
э. д. с. = 1,51 − 0,15 = 1,36 в
Устанавливаем, что KMnO4 в кислой среде может окислить SnCl2, так как э. д. с. реакции — величина положительная.
Пример 4
Для железа и галогенов (приложение 6) имеем следующие потенциалы:
| 2I− | I2, | 2Br− | Br2, | 2F− | F2, | Fe2+ | Fe3+ |
| 0,53 в | 1,08 в | 2,85 в | 0,77 в |
Требуется определить, может ли ион железа Fe3+ окислить ионы указанных галогенов.
Так как потенциал пары Fe2+ | Fe3+ превышает только потенциал 2I− | I2 (наиболее слабого окислителя из галогенов), то ион железа Fe3+ будет окислять ион I−, например в реакции:
2KI + 2FeCl3 → I2 + 2KCl + FeCl2 или 2FeCl2 (по мнению редакции сайта)
Э. д. с. этой реакции имеет положительное значение:
0,77 − 0,53 = 0,24 в.
Ионы Br− и F− ионом Fe3+ не окисляются ввиду того, что э. д. с. этих реакций отрицательная величина. Например, реакция
2KF + FeCl3 → F2 + 2KCl + FeCl2
не идет, ее э. д. с. = 0,77 − 2,85 = −2,08 в.
Напротив, F2 и Br2 окисляют ионы Fe2+ в ионы Fe3+
2FeBr2 + Br2 → 2FeBr3
э. д. с. = 1,08 − 0,77 = 0,31 в.
Пример 5
Определить, какой из металлов — барий или никель — лучше взаимодействует с разбавленной соляной кислотой.
Составляем уравнения реакций:
Ba + 2HCl → H2 + BaCl2
Ni + 2HCl → H2 + NiCl2
Находим потенциалы пар:
$$\mathrm{Ba}\,|\,\mathrm{Ba^{2+}} \qquad E_0 = -2{,}90\ \textit{в},$$
$$\mathrm{Ni}\,|\,\mathrm{Ni^{2+}} \qquad E_0 = -0{,}25\ \textit{в},$$
$$\mathrm{H_2}\,|\,\mathrm{2H^+} \qquad E_0 = 0{,}00\ \textit{в}.$$
Вычисляем э. д. с. для первой и второй реакции:
0,00 − (−2,90) = 2,90 в,
0,00 − (−0,25) = 0,25 в.
Э. д. с. первой реакции в несколько раз больше, чем второй — Ba будет взаимодействовать с HCl более интенсивно, чем Ni.
Пример 6
Будет ли протекать реакция при взаимодействии растворов FeSO4 и HgSO4?
Потенциалы пар
Fe2+ | Fe3+ E0 = +0,77 в,
2Hg2+ | Hg22+ E0 = +0,92 в.
Из этих данных находим э. д. с. реакции:
э. д. с. = 0,92 − 077 или 0,77 (по мнению редакции сайта) = 0,15 в.
Э. д. с. реакции положительная, следовательно, реакция возможна и будет протекать по уравнению:
2FeSO4 + 2HgSO4 = Fe2(SO4)3 + Hg2SO4
Пример 7
Перманганат калия можно получить окислением манганата (например, K2MnO4) хлором. Можно ли вместо Cl2 применить Br2 или I2?
Находим потенциалы пар:
MnO4− | MnO42− E0 = +0,56 в,
Cl2 | 2Cl− E0 = +1,36 в,
Br2 | 2Br− E0 = +1,08 в,
I2 | 2I− E0 = +0,53 в.
Вычислим э. д. с. реакций для случаев, когда окислителем является 1) хлор, 2) бром и 3) иод:
1) э. д. с. = 1,36 − 0,56 = 0,80 в,
2) э. д. с. = 1,08 − 0,56 = 0,52 в,
3) э. д. с. = 0,53 − 0,56 = −0,03 в.
Отсюда делаем заключение, что манганат наиболее активно окисляется хлором, затем бромом, а иодом он не окисляется — э. д. с. имеет отрицательное значение. Реакция окисления K2MnO4 хлором (аналогично и бромом) протекает по уравнению:
K2MnO4 + Cl2 = 2KMnO4 + 2KCl
Пример 8
Чему равен электродный потенциал свинца, опущенного в раствор его соли с активностью ионов Pb2+ 0,001 моль/л.
Вычислим электродный потенциал по формуле
$$E = E_0 + \frac{0{,}058}{n}\lg c,$$
где E — электродный потенциал металла при данной концентрации ионов; E0 — нормальный электродный потенциал металла; n — заряд иона металла; c — концентрация (активность) ионов в растворе.
$$E = -0{,}126 + \frac{0{,}058}{2}\lg 1 \cdot 10^{-3}.$$
$$E = -0{,}126 + (-0{,}087) = -0{,}213\ \textit{в}.$$
Пример 9
Определить э. д. с. элемента, образованного цинковым электродом, опущенным в 0,1 M раствор Zn(NO3)2, и свинцовым электродом, опущенным в 5 M раствор Pb(NO3)2.
Найдем потенциал цинкового электрода:
$$E_{\mathrm{Zn}} = -0{,}76 + \frac{0{,}058}{2}\lg 0{,}1 = -0{,}79\ \textit{в}.$$
Найдем потенциал свинцового электрода:
$$E_{\mathrm{Pb}} = -0{,}126 + \frac{0{,}058}{2}\lg 5 = -0{,}106\ \textit{в}.$$
Определим э. д. с. элемента
э. д. с. = −0,106 − (−0,79) = 0,684 в.
Пример 10
Выяснить, окислится ли ион Cr3+ в Cr2O72− анионом NO3− с восстановлением последнего до NO.
Найдем (приложение 6) потенциал для полуэлемента, в котором протекает следующий окислительно-восстановительный процесс:
NO3− + 4H+ + 3e ⇄ NO + 2H2O
E0 = 0,96 в,
для другого полуэлемента
Cr2O72− + 14H+ + 6e− ⇄ 2Cr + 7H2O
E0 = 1,33 в.
Вычислим э. д. с. реакции:
э. д. с. = 0,96 − 1,33 = −0,37 в.
Данная реакция невозможна, так как ион Cr2O72− является более сильным окислителем, чем ион NO3−. В гальваническом элементе из этих двух полуэлементов электроны передвигались бы от NO к Cr2O72−.
Таким образом, HNO3 соли трехвалентного хрома не окисляет; напротив, H2Cr2O7 (и ее соли) окисляет NO в HNO3.
Рассмотрение окислительно-восстановительных процессов показывает, что в реакции окислитель (Окисл.1) * после окисления восстановителя превращается в восстановитель (Восст.1), а восстановитель (Восст.2), окисляясь, переходит в окислитель (Окисл.2), например:
$$\underset{\text{Окисл.}_1}{\mathrm{6MnO_4^-}} + \underset{\text{Восст.}_2}{\mathrm{10Cr^{3+}}} + \mathrm{11H_2O} \rightleftarrows \underset{\text{Восст.}_1}{\mathrm{6Mn^{2+}}} + \underset{\text{Окисл.}_2}{\mathrm{5Cr_2O_7^{2-}}} + \mathrm{22H^+}$$
$$E_{0\,\mathrm{MnO_4^-}\,|\,\mathrm{Mn^{2+}}} = +1{,}51\ \textit{в},$$
$$E_{0\,\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}\,|\,\mathrm{2Cr^{3+}}} = +1{,}33\ \textit{в}.$$
Приведенная реакция будет практически протекать слева направо, так как $E_{\text{окисл.}_1} > E_{\text{окисл.}_2}$.
Окислительно-восстановительные реакции протекают в сторону образования более слабых окислителей и восстановителей из более сильных.
Так, например, реакция окисления — восстановления
Sn2+ + 2Fe3+ → Sn4+ + 2Fe2+
практически протекает слева направо, так как $E_{0\,\mathrm{Sn^{4+}}\,|\,\mathrm{Sn^{2+}}} = +0{,}15\ \textit{в} E_{0\,\mathrm{Fe^{3+}}\,|\,\mathrm{Fe^{2+}}} = +0{,}77\ \textit{в}$
реакция
Cu + Fe2+ ⇄ Cu2+ + Fe
наоборот, протекает справа налево, так как $E_{0\,\mathrm{Fe^{2+}}\,|\,\mathrm{Fe}} = -0{,}44\ \textit{в} E_{0\,\mathrm{Cu^{2+}}\,|\,\mathrm{Cu}} = +0{,}34\ \textit{в}$.
Из всех возможных при данных условиях окислительно-восстановительных реакций в первую очередь (как правило) протекает та, которая имеет наибольшую разность окислительно-восстановительных потенциалов.
Пользуясь приложением 6, можно не только предсказать, пойдет ли в выбранном направлении окислительно-восстановительная реакция, но и определить, какова будет ее э. д. с.
* См.: А. П. Крешков, А. А. Ярославцев. Курс аналитической химии, книга первая. Изд-во «Химия», М. — Л., 1964.
Константа равновесия
В некоторых случаях надо знать не только направление окислительно-восстановительной реакции, но и насколько полно она протекает. Так, например, в количественном анализе можно опираться только на те реакции, которые практически протекают на 100% (или приближаются к этому).
Степень протекания реакции слева направо определяется константой равновесия. Для реакции
Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4
или
Zn + Cu2+ ⇄ Zn2+ + Cu
согласно закону действия масс, можно записать:
$$K = \frac{C_{\mathrm{Zn^{2+}}}}{C_{\mathrm{Cu^{2+}}}},$$
где K — константа равновесия, показывающая, каково соотношение между концентрациями ионов Zn2+ и Cu2+ при равновесии.
Константу равновесия определяют следующим образом. В уравнение (3) (стр. 152) подставляют значения нормальных потенциалов пар Zn | Zn2+ и Cu | Cu2+ и находят:
$$E_{0\,\mathrm{Zn}\,|\,\mathrm{Zn^{2+}}} = -0{,}76 + \frac{0{,}058}{2}\lg C_{\mathrm{Zn^{2+}}}$$
$$E_{0\,\mathrm{Cu}\,|\,\mathrm{Cu^{2+}}} = +0{,}34 + \frac{0{,}058}{2}\lg C_{\mathrm{Cu^{2+}}}$$
При равновесии $E_{0\,\mathrm{Zn}\,|\,\mathrm{Zn^{2+}}} = E_{0\,\mathrm{Cu}\,|\,\mathrm{Cu^{2+}}}$
или
$$-0{,}76 + \frac{0{,}058}{2}\lg C_{\mathrm{Zn^{2+}}} = +0{,}34 + \frac{0{,}058}{2}\lg C_{\mathrm{Cu^{2+}}},$$
откуда
$$\frac{0{,}058}{2}\lg C_{\mathrm{Zn^{2+}}} - \frac{0{,}058}{2}\lg C_{\mathrm{Cu^{2+}}} = 0{,}34 - (-0{,}76),$$
или
$$\frac{0{,}058}{2}(\lg C_{\mathrm{Zn^{2+}}} - \lg C_{\mathrm{Cu^{2+}}}) = 0{,}34 - (-0{,}76),$$
$$\lg K = \lg\frac{C_{\mathrm{Zn^{2+}}}}{C_{\mathrm{Cu^{2+}}}} = \frac{[0{,}34 - (-0{,}76)] \cdot 2}{0{,}058} = \frac{2{,}2}{0{,}058} = 38,$$
или
$$K = \frac{C_{\mathrm{Zn^{2+}}}}{C_{\mathrm{Cu^{2+}}}} = 10^{38}.$$
Константа равновесия показывает, что цинк вытесняет из CuSO4 ионы меди до тех пор, пока в растворе концентрация ионов Cu2+ не станет в 1038 раз меньше, чем концентрация ионов Zn2+. Это значит, что рассматриваемая реакция практически идет до конца.
Если, например, концентрация Cu2+ в начале реакции равна 0,1 м, то при равновесии Cu2+ будет 0,1 − x, в то время как концентрация Zn2+ будет x.
Решая уравнение $\frac{x}{0{,}1 - x} = 10^{38}$, находим, что концентрация при равновесии очень близка к 0,1 м.
Однако, если бы мы могли изменить соотношение взаимодействующих компонентов $\frac{C_{\mathrm{Zn^{2+}}}}{C_{\mathrm{Cu^{2+}}}}$ так, чтобы оно стало больше 1038, т. е. $\frac{C_{\mathrm{Zn^{2+}}}}{C_{\mathrm{Cu^{2+}}}} > 10^{38}$ или $C_{\mathrm{Cu^{2+}}} \frac{C_{\mathrm{Zn^{2+}}}}{10^{38}}$, тогда реакция пошла бы справа налево (т. е. в обратном направлении).
Константа равновесия для любых окислительно-восстановительных процессов может быть вычислена, если известны окислительно-восстановительные потенциалы частных реакций.
Константа равновесия связана с окислительно-восстановительными потенциалами общей формулой:
$$\lg K = \frac{(E_0' - E_0'')\,n}{0{,}058}, \tag{4}$$
где K — константа равновесия реакции; $E_0'$ и $E_0''$ — нормальные потенциалы (окислителя и восстановителя); n — зарядность ионов (число электронов, отдаваемых восстановителем и принимаемых окислителем).
Из формулы (4) находим константу равновесия:
$$K = 10^{\frac{(E_0' - E_0'')\,n}{0{,}058}}. \tag{5}$$
Зная константу равновесия, можно, не прибегая к опытным данным, рассчитать, насколько полно протекает реакция.
Так, например, в реакции
Sn + Pb(CH3COO)2 ⇄ Pb + Sn(CH3COO)2
для пары Pb | Pb2+ E0 = −0,126 в, для пары Sn | Sn2+ E0 = −0,136 в.
Подставляя эти данные в уравнение (4), находим:
$$\lg K = \frac{[-0{,}126 - (-0{,}136)] \cdot 2}{0{,}058} = \frac{0{,}02}{0{,}058} = 0{,}345, \tag{6}$$
откуда
$$K = \frac{C_{\mathrm{Sn^{2+}}}}{C_{\mathrm{Pb^{2+}}}} = 10^{0{,}345} = 2{,}21. \tag{7}$$
Число 2,21 означает, что равновесие в рассматриваемой реакции наступает тогда, когда концентрация ионов Pb2+ станет в 2,21 раза меньше концентрации ионов Sn2+.
Концентрация ионов Sn2+ при равновесии в 2,21 раза больше концентрации ионов Pb2+. Поэтому на 2,21 грамм-иона Sn2+ приходится 1 грамм-ион Pb2+. Всего же в растворе содержится 3,21 грамм-иона (2,21 + 1). Таким образом, на 3,21 грамм-иона в растворе приходится 2,21 грамм-иона Sn2+, а на 100 частей будет приходиться x частей Sn2+.
Отсюда
$$x = \frac{2{,}21 \cdot 100}{3{,}21} = 69\%.$$
Следовательно, данная реакция протекает обратимо.
Вычислим константу равновесия для реакции:
5FeCl2 + KMnO4 + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3FeCl3 + MnSO4 + KCl + 4H2O
или
5Fe2+ + MnO4− + 8H+ = 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O
Потенциал для пары MnO4− + 8H+ | Mn2+ + 4H2O = 1,51 в, потенциал для пары Fe2+ | Fe3+ = 0,77 в. Подставив эти величины потенциалов в уравнение (4), находим:
$$\lg K = \frac{(1{,}51 - 0{,}77) \cdot 5}{0{,}058} = \frac{3{,}75}{0{,}058} \approx 64{,}7, \tag{8}$$
отсюда
$$K = \frac{C_{\mathrm{Mn^{2+}}}\,C_{\mathrm{Fe^{3+}}}^{5}}{C_{\mathrm{MnO_4^-}}\,C_{\mathrm{Fe^{2+}}}^{5}\,C_{\mathrm{H^+}}^{8}} = 10^{64{,}7}. \tag{9}$$
Эта константа показывает, что равновесие наступает, когда произведение концентраций ионов в числителе (образующихся при реакции) станет в 1064,7 раза больше произведения концентраций ионов знаменателя (вступающих в реакцию).
Ясно, что данная реакция протекает практически необратимо (т. е. на 100% слева направо).
Для реакции 2Ag + Hg2+ ⇄ Hg + Ag+ или 2Ag+ (по мнению редакции сайта)
$$K = 10^{\frac{(0{,}85 - 0{,}8) \cdot 2}{0{,}058}} = 10^{1{,}73} = 53{,}7. \tag{10}$$
Расчет (аналогичный приведенному выше) показывает, что эта реакция протекает на 98%.
Равновесие изменяется в зависимости от условий реакции.
Исключительное влияние на величину константы оказывает реакция среды. Так, например, реакция восстановления мышьяковой кислоты ионом иода (I−) в кислой среде протекает по уравнению:
AsO43− + 2I− + 2H+ = H2O + AsO33− + I2
Потенциал восстановления мышьяковой кислоты в щелочной среде значительно меньше. Поэтому в щелочной среде имеет место обратный процесс:
AsO33− + I2 + 2OH− = AsO43− + 2I− + H2O
В нейтральной среде (H2O) оба процесса можно было бы представить так:
2I− + AsO43− + H2O ⇄ I2 + AsO33− + 2OH−
AsO33− + I2 + H2O ⇄ AsO43− + 2I− + 2H+
однако так они не пойдут.
Процесс по первому уравнению не пойдет, потому что он связан с накоплением ионов OH−, которые направляют процесс в обратную сторону; только при создании кислой среды, нейтрализующей гидроксид-ионы, он пойдет слева направо.
По второму уравнению процесс не пойдет, потому что он связан с накоплением ионов H+, которые следует нейтрализовать щелочью, если нужно, чтобы реакция шла слева направо.
Существует следующее правило для создания реакционной среды, необходимой для оптимального течения процесса:
Если в результате окислительно-восстановительной реакции накапливаются водородные или гидроксид-ионы, то для желаемого течения процесса необходимо создать такую среду, которая обладает противоположными свойствами: в случае накопления ионов H+ среда должна быть щелочной, в случае же накопления ионов OH− среда должна быть кислой.
Для реакции нужно брать такие компоненты, которые требуют одинаковой среды (кислой или щелочной). Если же в реакции одно вещество является восстановителем в кислой среде, а другое окислителем в щелочной, то может иметь место торможение процесса; в этом случае процесс дойдет до конца лишь при большой разнице потенциалов, т. е. при высокой константе реакции.
Константа равновесия позволяет предсказать возможность окисления, например, CuS и HgS азотной кислотой.
Найдем константу равновесия для реакции растворения CuS в HNO3.
3CuS + 2HNO3 + 6HNO3 ⇄ 3S + 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
или
3CuS + 2NO3− + 8H+ ⇄ 3S + 3Cu2+ + 2NO + 4H2O
По приложению 6 находим окислительно-восстановительный потенциал для пары
NO3− + 4H+ + 3e− = NO + 2H2O $E_0' = +0{,}96\ \textit{в}$.
Вычислим окислительно-восстановительный потенциал $E_0''$ реакции:
CuS − 2e− ⇄ Cu2+ + S
или
CuS ⇄ Cu2+ + S2−
S2− − 2e− → S
Потенциал этой системы будет равен:
$$E_0'' = E_{0\,\mathrm{S^{2-}}\,|\,\mathrm{S}} + \frac{0{,}058}{2}\lg\frac{1}{[\mathrm{S^{2-}}]}, \quad \text{где } E_{0\,\mathrm{S^{2-}}\,|\,\mathrm{S}} \cong -0{,}51\ \textit{в}.$$
При концентрации [Cu2+] = 1 г-ион/л концентрация ионов S2− над осадком Cu будет равна:
$$[\mathrm{S^{2-}}] = \frac{\text{ПР}_{\mathrm{CuS}}}{\mathrm{Cu^{2+}}} = \text{ПР}_{\mathrm{CuS}} = 3{,}2 \cdot 10^{-38}.$$
Подставив найденные значения в формулу для определения потенциала восстановителя, находим:
$$E_0'' = -0{,}51 + \frac{0{,}058}{2}\lg\frac{1}{3{,}2 \cdot 10^{-38}} = +0{,}63\ \textit{в}.$$
Из уравнения реакции между CuS и HNO3 видно, что общее число электронов, отдаваемых восстановителем CuS и принимаемых окислителем HNO3, 6. Находим константу равновесия
$$\lg K = \frac{(E_0' - E_0'')\,n}{0{,}058} = \frac{(0{,}96 - 0{,}63) \cdot 6}{0{,}058} \approx 33,$$
откуда $K = 10^{33}$.
Большая величина константы показывает, что равновесие этой реакции сдвинуто почти целиком слева направо, а потому CuS хорошо растворяется в разбавленной HNO3. Константа равновесия для реакции:
3HgS + 2HNO3 + 6HNO3 ⇄ 3S + 3Hg(NO3)2 + 2NO + 4H2O
может быть вычислена из уравнения:
$$\lg K = \frac{(E_0' - E_0'')\,n}{0{,}058} = \frac{(0{,}96 - 1{,}07) \cdot 6}{0{,}58} \approx -12.$$
и $K = 10^{-12}$.
Столь малая величина константы говорит о том, что равновесие этой реакции практически нацело сдвинуто справа налево, т. е. сульфид ртути в противоположность сульфиду меди практически не растворим в разбавленной HNO3.