Chapter 4 Reactions in Aqueous Solution The Important types of aqueous reaction, These include- 1.Precipiatation reactions 2.acid-base reactions 3.Oxidation-reduction reactions
4-1: Solute Concentration: 1. Molarity (M): 容 積 莫 耳 濃 度 2. Normality (N): 當 量 濃 度 4-2: Precipitation reaction 1. Net Ionic Equations fig 4.4 2. Stoichiometry 4-3: Acid-base reactions 1. Strong and Weak Acids and Bases 2. Equations for Acid Base Reactions 3. Acid Base Titrations 4-4: Oxidation-reduction reactions 1. Oxidation number 氧 化 數 2. Balancing half-equations (oxidation or reduction) 3. Balancing Redox Equations
溶 液 (solution)- 由 二 種 或 二 種 以 上 的 純 物 質 均 勻 混 合 形 成 一 個 單 相 (single phase), 其 中 含 溶 質 與 溶 劑 溶 質 (solute)- 被 溶 解 的 物 質, 溶 液 中 較 少 量 的 物 質 溶 劑 (solvent)- 溶 解 其 他 物 質 者, 溶 液 中 較 大 量 的 物 質 溶 液 溶 劑 溶 質 碳 酸 飲 料 (l) H 2 O 糖, CO 2 空 氣 (g) 合 金 (s) N 2 Pb O 2, Ar, CH 4 Sn 4.1
溶 質 的 濃 度 定 量 的 溶 劑 或 溶 液 中, 所 含 溶 質 之 量 的 多 寡, 稱 為 該 溶 質 的 濃 度 共 有 八 種 表 示 法 Cl 1. 重 量 百 分 率 (weight percentage),% 2. 克 式 量 濃 度 (formality) 3. 體 積 莫 耳 濃 度 (molarity), M 4. 重 量 莫 耳 濃 度 (molality), m 5. 當 量 濃 度 (normality),n 6. 莫 耳 分 率 (mole fraction),x i 7. 百 萬 分 數 (parts per million),ppm 8. 十 億 萬 分 數 (parts per billion),ppb 4.1
範 例 4.1 鹽 酸 的 瓶 子 上 標 示 著 濃 鹽 酸, 表 示 1 公 升 的 這 種 溶 液 含 有 12.0mol 的 HCl, 亦 即 HCl = 12.0 M (a) 在 25.0 ml 的 這 種 溶 液 中, 含 有 多 少 moles 的 HCl? n HCl = 25.0 ml 1L 1000 ml 12.0 mol 1L HCl = 0.300mol HCl (b) 需 多 少 體 積 的 濃 鹽 酸 才 能 含 有 1.00 mol 的 HCl? V HCl = 1.00mol HCl 1L 12.0mol HCl 1000mL 1L = 83.3mL HCl 4.1
4-1 Solute Concentrations: Molarity (M) 1.The concentration of a solute in solution can be expressed in terms of its Molarity Molarity (M)= moles. of. solute liters. of. solution The symbol [ ] is commonly used to represent the molarity of a species in a solution. 表 示 在 溶 液 中 的 莫 耳 濃 度 Ex a solution containing 1.20mol of substance A in 2.50L of solution 1.20mol [ A] = = 0.480mol = 0. 480M 2.50L L 2.The molarity of a solution can be used to Calculate: (1) The number of moles of solute in a given volume of solution. (2) The volume of solution containing a given number of moles of solute.
4.5
Ex 4-1: The bottle labeled dilute nitric acid in the lab contains 6.0 mol of per liter of solution 6.0 M a) How many moles of are in 75 ml of this solution? b) What volume of dilute nitric acid must be taken to contain one mole of? Sol: 1L 60mol a) n HNO = 75mL = 0.45moleHNO 3 3 1000mL 1L b) 1L V = 1.00molHNO3 = 0. 17L 6.0molHNO 3
3.An ionic solid dissolves in water, the cations and anions separate from each other NaCl ( S ) + MgCl H O 2 + 2 Mg ( aq ) + 2Cl ( aq 2( S) ) Cl 2+ molarity = molarity MgCl Mg MgCl 2 = molarity = 2 molarity Cl Cl MgCl2 = 2 ( NH4) 3 PO4( S) 3NH + 3 4 ( aq+ PO ) 4 ( aq) molarity = 3 molarity molarity + NH 4 PO 4 H 2 O (aq ) 3 = 1 molarity Na + Cl ( aq ) 2 ( NH PO 4 ) 3 ( NH4) 3 PO4 4
Ex 4-2: Give the concentration, in moles per liter, of each ion in a) 0.08 M b) 0.40 M a) K SO + + K = 2 0.08 = 0.16 M 2 = 1 0.08 = 0.08 M b) FeCl 3 ( aq 3( S ) + ) Cl 3+ = 1 0.40 = 0.40 M Fe Cl 2 4( S) SO 4 2K + ( aq) SO 4 = 3 0.40 = 1.2 M 2 3 aq Fe + ( )
4-2 Precipitation Reactions 沈 澱 反 應 Sometimes when water solutions of two different ionic compounds are mixed, an insoluble solid separate out of solution. precipitate Ksp solubility product 溶 解 度 積 沈 澱 由 兩 種 不 同 溶 液 的 陽 離 子 與 陰 離 子 相 互 作, 不 可 溶 的 固 體 將 會 被 分 離 出 來
Figure 4.3 The precipitation diagram
沈 澱 反 應 規 則 所 有 鹼 金 屬 (IA 族 ) 及 銨 (NH 4+ ) 化 合 物 均 具 可 溶 性 所 有 含 NO 3- ( 硝 酸 根 ) ClO 3- ( 氯 酸 根 ) ClO 4- ( 過 氯 酸 根 ) 的 化 合 物 均 可 溶 除 IA 族 之 氫 氧 化 物 Ba(OH) 2 為 可 溶 Ca(OH) 2 為 微 溶 外, 其 餘 之 氫 氧 化 物 (OH - ) 均 不 可 溶 多 數 氯 化 物 (Cl - ) 溴 化 物 (Br - ) 碘 化 物 (I - ) 是 可 溶, 但 含 Ag + Hg 2 +2 Pb +2 例 外 所 有 碳 酸 根 (CO 3-2 ) 磷 酸 根 (PO 4-3 ) 及 硫 化 物 (S -2 ) 均 為 不 溶 性 大 多 數 SO 4-2 ( 硫 酸 根 ) 為 可 溶 性, 但 CaSO 4 ( 硫 酸 鈣 ) 及 Ag 2 SO 4 ( 硫 酸 銀 ) 為 微 溶 ;BaSO 4 ( 硫 酸 鋇 ) HgSO 4 ( 硫 酸 汞 ) 及 PbSO 4 ( 硫 酸 鉛 ) 為 不 溶 性 4.2
Ex 4-3: Using the precipitation diagram (fig 4.3), predict what will happen when the following pairs of aqueous solutions are mixed. (a) CuSO 4 和 NaNO 3 CuSO 4(aq) NaNO 3(aq) Cu +2 (aq) + Na + (aq) + SO 4-2 (aq) NO 3 - (aq) Possible precipitates:cu(no) 3 及 Na 2 SO 4,form figure, both of these compounds are soluble So no precipitate forms. (b) Na 2 CO 3 和 CaCl 2 Na 2 CO 3(aq) 2Na + (aq) + CO 3-2 (aq) CaCl 2(aq) Ca +2 (aq) + 2Cl - (aq) Possible precipitates: NaCl andcaco 3,form figure NaCl is soluble, CaCO 3 is not. So CaCO 3 precipitates. 4.1
Precipitation Reactions 沈 澱 Pb(NO 3 ) 2 (aq) + 2NaI (aq) PbI 2 (s) + 2NaNO 3 (aq) Molecule reaction equation 分 子 反 應 方 程 式 Pb 2+ + 2NO 3- + 2Na + + 2I - PbI 2 (s) + 2Na + + 2NO 3 - Ionic reaction equation 離 子 反 應 方 程 式 Pb 2+ + 2I - PbI 2 (s) PbI 2 Net ionic equation 淨 離 子 反 應 方 程 式 Na + and NO 3- is 旁 觀 (no part in the reaction)ion 4.2
1.Net ionic equation 1. 寫 出 平 衡 之 分 子 反 應 方 程 式 2. 寫 出 其 全 部 之 離 子 反 應 方 程 式 3. 刪 除 反 應 式 兩 邊 之 旁 觀 離 子 Write the net ionic equation for the reaction of silver nitrate with sodium chloride. AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO 3 (aq) Ag + + NO 3- + Na + + Cl - AgCl (s) + Na + + NO 3 - Ag + + Cl - AgCl (s) 4.2
Net ionic equation must show atom balance There must be the same number of atoms of each element on both sides. 方 程 式 兩 邊 原 子 數 相 同 charge balance There must be the same total charge on both sides. 方 程 式 兩 邊 總 電 荷 必 須 相 等 In particular all of the chemical equations written throughout this chapter are net ionic equations. 4.2
Ex 4-4: Write a net ionic equation of the followings: (a) NaOH andcu(no 3 ) 2 Ions present:na +, OH -, Cu +2, NO 3 - Possible precipitates:nano 3,Cu(OH) 2, NaNO 3 is soluble, Cu(OH) 2 is not Cu +2 (aq) + 2OH - (aq) Cu(OH) 2(s) (b) BaCl 2 和 Ag 2 SO 4 Ions present:ba +2, Cl -, Ag +, SO 4-2 Possible precipitates:baso 4,AgCl,Both compounds are insoluble. Ba +2 (aq) + Ag + (aq) + SO 4-2 (aq) Cl - (aq) BaSO 4(s) AgCl (s) (c) (NH 4 ) 3 PO 4 和 K 2 CO 3 Ions present:nh 4+, PO 4-3, K +, CO 3-2 there is no precipitation reaction. 4.2
2.Stoichiometry 化 學 計 量 Calculate mole-mass relations in reactions is readily applied to solution reaction represented by net ionic equations. 計 算 反 應 中 莫 耳 - 質 量 的 關 係. 以 淨 離 子 反 應 方 程 式 來 表 達 溶 液 的 反 應 以 一 般 的 方 法 來 解 決 限 量 反 應 物 在 淨 離 子 反 應 方 程 式 中 的 變 化 4.2
Ex 4-5: When aqueous solutions of sodium hydroxide and iron nitrate are mixed, a red precipitate forms. (a) Write a net ionic equation for the reaction. (b) Determine the mass of precipitate formed when 30.0mL of 0.125M Fe(NO 3 ) 3 reacts. 3 a) ( aq) + (b) = 0.125mol/L m Fe(OH )3 = Fe + 3 OH ( aq ) n Fe 3+ = = 30 1000 3.75 10 n MM Fe( OH ) 3 ( s) 3 = 3.75 10 3.75 10 mol 3 3 (55.85+ 3 (1.008+ 16.00)) 106.88 = 0.401g
Exam4.5 (c) Whe aqueous solutions of sodium (NaOH) and iron (III) nitrate Fe(NO 3 ) 3 are mixed,a red precipitate forms. Calculate the mass of precipitate formed when50.00ml,0.200m NaOH and 30.00mL,0.125MFe(NO 3 ) 3? Fe +3 (aq) + 3OH - (aq) Fe(OH) 3(s) 0.125molFe(NO 1molFe + 3 3 3-3 + 3 n + Fe 3 = 0.03000LFe(NO3) 3 = 3.75 10 molfe 1LFe(NO3) 3 1molFe(NO3) 3 ) n - OH 1L mol = 50.0mL 0.0200 NaOH = 0.0100molOH 1000 ml L If Fe +3 is limiting reactant: W 1molFe(NO 106.87gFe(OH) -3 + 3 3 3 3 Fe(OH) = 3.75 10 molfe = 0.401gFe(OH) 3 + 3 3 1molFe 1molFe(NO3) 3 If OH - is limiting reactant W Fe(OH) 3 = 1.00 10-3 mol OH - 1 mol Fe(NO 3 mol OH 3 - ) 3 ) 106.87 g Fe(NO 1mol Fe(NO ) 3 3 3 ) 3 = 0.356 g Fe(OH) 3 4.2
範 例 4.5 考 慮 範 例 4.4 的 淨 離 子 反 應 方 程 式, 需 要 多 少 體 積 的 0.106MCu(NO 3 ) 2 溶 液, 用 以 形 成 6.52g 的 Cu(OH) 2? Cu +2 (aq) + 2OH - (aq) Cu(OH) 2(s) V Cu(OH) = 2 6.52gCu(OH) 2 + 2 1molCu 1molCu(OH) 2 1LCu(NO3 ) 2 0.106molCu(NO 1molCu(NO 1molCu 3 ) 1molCu(OH) 2 97.57gCu(O H) 2 3 +2 ) 2 = 0.630LCu(NO 3 ) 2 2 4.2
4-3 Acid-base reactions Acid Acidic solution: 1. sour taste 2. Litmus( 石 蕊 ) turns from blue to red. 3.It is a species that produces H + ion in water solution. Base Basic solution: 1. slippery feeling 2. Litmus turns from red to blue 3.It is a species that produces OH - ion in water solution. 2HCl (aq) + Mg (s) 2HCl (aq) + CaCO 3 (s) MgCl 2 (aq) + H 2 (g) CaCl 2 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O (l) 4.3
1. Strong and Weak Acids and Bases. There are two types of acids, strong and weak, Strong acid:ionize completely, forming H+ ions and anions. Table 4.1 Ex + HCl( aq) H ( aq) + Cl ( aq) Start 0.10 mol - - balance 0.00 mol 0.10 mol 0.10 mol ionize completely Weak acid:only partially ionized to H + ions in water. Double arrow implies that this reaction does not go to completion. HB H + B + ( aq) aq ( aq) ) ( ) 開 始 0.10 mol - - 平 衡 0.09 mol 0.01 mol 0.01 mol partially ionized
Table4.1 Common Strong Acids and Bases Acid Name of Acid Base Name of Base HCl Hydrochloric acid 氫 氯 酸 LiOH Lithium hydroxide 氫 氧 化 鋰 HBr Hydrobromic acid 氫 溴 酸 NaOH Sodium hydroxide 氫 氧 化 鈉 HI Hydriodic acid 氫 碘 酸 KOH Potassium hydroxide 氫 氧 化 鉀 HNO 3 Nitric acid 硝 酸 Ca(OH) 2 Calcium hydroxide 氫 氧 化 鈣 HClO 4 Perchloric acid 過 氯 酸 Sr(OH) 2 Strontium hydroxide 氫 氧 化 鍶 H 2 SO 4 Sulfuric acid Ba(OH) 2 Barium htdroxide 硫 酸 氫 氧 化 鋇 4.3
Strong base:in water solution is completely ionized to OH - ions and cations. Ex. NaOH Ca ( OH ) 2 ( S Na + ( s) ( aq) + OH ( aq) ) ( ) 2OH aq 2 Ca + aq ( ) Weak base: They react with molecules, acquiring H + ions and leaving OH - ions behind. Ex NH 3( aq) H 2 O NH + OH 4 ( aq (aq) ) + + 開 始 0.10 mol - - 平 衡 0.099 mol 0.001 mol 0.001 mol partially ionized. +
2. Equations for Acid-Base reactions Table 4.2 Types of Acid-Base Reactions 1. Strong acid-strong base 中 和 (neutralization) H + (aq) + OH- (aq) H 2 O (l) net ionic Equation 2. Weak acid-strong base HB (aq) H + (aq) + B- (aq) H + (aq) + OH- (aq) H 2 O (l) HB (aq) + OH - (aq) H 2 O (l) + B- (aq) net ionic Equation 3. Strong acid-weak base NH 3(aq) + H 2 O (l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) H + (aq) + OH- (aq) H 2 O (l) H + (aq) + NH 3(aq) NH 4 + (l) 總 反 應 H + (aq) + B (aq) BH (aq) + net ionic Equation 4.3
Neutralization Reaction( 中 和 反 應 ) acid + base salt + water HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O H + + Cl - + Na + + OH - H + + OH - Na + + Cl - + H 2 O H 2 O 4.3
Ex 4-6:Write a net ionic equation for each of the following reactions in dilute water solution. a) Hyopchlorous acid 次 氯 酸 and calcium hydroxide b) Ammonia with perchloric acid 過 氯 酸 c) Hydriodic acid () with sodium hydroxide Ans: a) HClO weak acid strong base HClO (aq ) + OH (aq + ) ClO (aq ) b) weak base strong acid 3 ( aq) + NH (aq) H + c) strong acid strong base H + (aq) OH + (aq (l) ) NH + 4 ( aq) O H 2 O H 2
Write a net ionic equation for each of the following reactions in dilute water solution (a) 亞 硝 酸 (HNO 2 ) 與 氫 氧 化 鈉 (NaOH) 的 反 應 HNO 2(aq) H + (aq) + OH - (aq) H 2 O (l) H + (aq) + NO - 2 (aq aq) HNO 2(aq) + OH - (aq) H 2 O (l) + NO - 2 (aq aq) 總 反 應 (b) 乙 胺 (CH 3 CH 2 NH 2 ) 與 過 氯 酸 (HClO 4 ) 的 反 應 C 2 H 5 NH 2(aq) + H 2 O (l) C 2 H 5 NH + 3 (aq) + OH - (aq) H + (aq) + OH - (aq) H 2 O (l) C 2 H 5 NH 2(aq) + H + (aq) C 2 H 5 NH + 3 (l) 總 反 應 (c) 溴 酸 (HBr) 與 氫 氧 化 鉀 (KOH) 的 反 應 H + (aq) + OH - (aq) H 2 O (l) 4.3
3.Acid-Base Titration titration 滴 定 Measuring the volume of a standard solution (a solution of known concentration) required to react with a measured amount of sample. 用 已 知 濃 度 之 標 準 溶 液, 滴 定 未 知 溶 液, 而 測 定 出 其 樣 品 的 含 量 equivalence point 當 量 點 The number of equivalent mole of base equal to the number of equivalent mole of acid. 酸 的 莫 耳 數 等 於 鹼 的 莫 耳 數 Neutralization point 中 和 點 酸 鹼 滴 定 後, 其 滴 定 終 點 恰 為 ph7 強 酸 強 鹼 End point 滴 定 終 點 The point of the indicator change color 酸 鹼 滴 定, 指 示 劑 變 色 點 4.3
Ex4.7 In titration, it is found that 25.0mL of 0.500M NaOH is required to react with (a) a 15.00mL sample of HCl. What is the molarity of HCl? (b) A 15.0mL sample of a weak acid, H 2 A.What is the molarity of H 2 A, assuming the reaction to be An aspirin tablet weighing 2.50g. What is the percentage of acetylsalicylic acid,, in the aspirin tablet? HC 9 H 7 O 4(aq) + OH - (aq) C 9 H 7 O 4 - (aq) + H 2 O (l) Sol: (a) n HCl = n NaOH = (25.0 10 = 1.25 10 2 3 mol 2 1.25 10 mol [HCl] = = 0.833M 3 15.0L 10 L)(0.500mo l/l) 0.0125mol ( b). nh 2A = n = = 0.01mol OH 2 0.01 M H = = 0.417mol / L 2 A 0.0150L 2 H A + 2OH 2H O + A 2 2 ( c) nhc H 9 9 massnhc nhc H 7 9 O 4 7 O H 7 4 = noh O 4 2.25g = 2.50g = 0.0125mol = 0.0125mol 180.15g / mol 100 = 90.0 = 2.25g 4.3
4-4 Oxidation-Reduction Reactions Common type of reaction in aqueous solution involves a transfer of electrons between two species. Such r reaction is called an oxidationreduction or redox reaction. () Zn (s) + 2H + (g) Zn +2 (aq) + H 2(g) Zn Zn 2+ + 2e - 2H + + 2e - H 2 Oxidation half-reaction (lose e - ) Reduction half-reaction (gain e - ) Zn + 2H + + 2e - Zn 2+ + H 2 + 2e - Zn (s) + 2H + (g) Zn +2 (aq) + H 2(g) 4.4
4-4 Oxidation-reduction Reactions Redox reactions The type of reaction in aqueous solution involves a transfer of electron between two species.the reactions is called an oxidation-reduction Loses electron Donates electron Increase in oxidation numbers Is oxidized 被 氧 化 Reducing agent Gains electron Accept( Receives) electrons Decrease in oxidation numbers Is reduced Oxidizing agent 1.Oxidation and reduction occur together, 2.There is no net change in the number of electrons in a redox reaction. Zn + H Zn + H + 2+ ( s) 2 ( aq) ( aq) 2( g) 4.4
4.4
1.Oxidation number 在 氧 化 還 原 反 應 中 其 原 子 的 淨 電 荷 數, 陰 電 性 較 大 的 原 子 傾 向 於 獲 得 電 子 而 得 到 負 的 氧 化 數 1. The oxidation number of an element in an elementary substance is O 元 素 ( 未 化 合 狀 態 ) 其 氧 化 數 為 0 Na, Be, K, Pb, H 2, O 2, P 4 = 0 2. The oxidation number of an element in a monatomic ion is equal to the charge of that ion. 單 原 子 離 子 其 氧 化 數 恰 為 其 電 荷 數 Li +, Li = +1; Fe 3+, Fe = +3; O 2-, O = -2 3.Certain elements have the same oxidation number in all or almost all their compounds. (1) group metals1 as +1 ; group metals 2 as +2 (2) O is an oxidation number of 2. But is H 2 O 2 及 O 2 2- is 1. 1/2 (3) Hydrogen is an Oxidation number of +1,the in metal hydrides, Where hydrogen is present the H is 1. H 2 O, H = +1; LiH, H = -1 4.4
4.he sum of the oxidation numbers in a neutral species is 0 ;in a polyatomic ion,it is equal to the charge of that ion. 中 性 分 子 中, 所 有 原 子 之 氧 化 數 總 和 為 零 在 多 原 子 離 子 中 所 有 元 素 的 氧 化 數 總 和 必 定 與 其 電 荷 數 相 同 4.4
Oxidation numbers of all the elements in the following? IF 7 F = -1 7x(-1) +? = 0 I = +7 NaIO 3 Na = +1 O = -2 3x(-2) + 1 +? = 0 I = +5 K 2 Cr 2 O 7 O = -2 K = +1 7x(-2) + 2x(+1) + 2x(?) = 0 Cr = +6 4.4
Ex 4-8 :What is the oxidation number o f phosphorus in sodium phosphate,? Na 3 PO 4 In the dihydrogen phosphate ion H? 2 PO 4 Sol: Na PO 3 4 H 2 PO 4 ( + 1) 3+ x = + 5 x + ( 2) 4 = 0 ( + 1) 2+ x+ ( 2) 4= 1 x =+ 5
Zn (s) + CuSO 4 (aq) ZnSO 4 (aq) + Cu (s) Zn Zn 2+ + 2e - Zn is oxidized Zn is reducing agent Cu 2+ + 2e - Cu Cu 2+ is reduced Cu 2+ is oxidizing agent 銅 與 硝 酸 銀 反 應 生 成 硝 酸 銀 與 銀? 在 本 反 應 中 何 者 為 氧 化 劑? Cu (s) + 2AgNO 3 (aq) Cu(NO 3 ) 2 (aq) + 2Ag (s) Cu Cu 2+ + 2e - Ag + + 1e - Ag Ag + is reduced Ag + is oxidizing agent 4.4
Types of Oxidation-Reduction Reactions Combination Reaction A + B C 0 0 +4-2 S + O 2 SO 2 Decomposition Reaction C A + B +1+5-2 +1-1 0 2KClO 3 2KCl + 3O 2 4.4
Types of Oxidation-Reduction Reactions Displacement Reaction A + BC 0 +1 +2 0 Sr + 2H 2 O Sr(OH) 2 + H 2 +4 0 0 +2 TiCl 4 + 2Mg Ti + 2MgCl 2 0-1 -1 0 Cl 2 + 2KBr 2KCl + Br 2 AC + B Hydrogen Displacement Metal Displacement Halogen Displacement 4.4
2. Balancing half-equation (Oxidation or Reduction) To balance half equation : 1.Balance the atoms of the element being oxidized or reduced. 2.Balance the oxidation number by adding electrons. 平 衡 氧 化 數 : 氧 化 數 多 的 一 邊 加 電 子 3.Balance charge by adding ions in acidic solution, ions in basic solution. 平 衡 電 荷 數 : 酸 溶 液 加 ( 電 荷 數 較 少 之 一 邊 ), 鹼 溶 液 加 ( 電 荷 數 較 多 之 一 邊 ) 4. Balance hydrogen by adding molecules. 平 衡 H: 5. Balance Oxygen number. 平 衡 O
Balancing half-equation Oxidation reaction 氧 化 反 應 Fe +2 (aq) Fe +3 (aq) ( 鐵 的 氧 化 數 : +2 +3) Fe +2 (aq) Fe +3 (aq) + e - Reduction reaction 還 原 反 應 Cl 2 (aq) 2Cl - (aq) ( 氯 的 氧 化 數 : 0-1) Cl 2 (aq) + 2e - 2Cl - (aq) 4.4
Ex 4-9: Balance the following half-equations A) MnO - 4 (aq) Mn +2 (aq) (acidic solution) B) Cr(OH) 3(s) CrO -2 4 (aq) (basic solution) (A) MnO 4 - (aq) Mn +2 (aq) (acid solution) (a) There is one atom of Mn on both sides,mn MnO 4 - (aq) Mn +2 (aq) (b) Mn an oxidation number of +7 +2,is reduced reaction MnO 4 - (aq) + 5e - Mn +2 (aq) (c) The total charge of balance,left -6,right +2, 酸 性 溶 液 中, 以 H + 平 衡 電 荷 MnO 4 - (aq) + 5e - + 8H + (aq) Mn+2 (aq) (d) Balance the eight H ions on the left,add four 4 H 2 O to the right MnO 4 - (aq) + 5e - + 8H + (aq) Mn+2 (aq) + 4H 2 O (l) (e) 方 程 式 左 右 各 有 4 個 O, 為 己 平 衡 之 還 原 半 反 應 MnO 4 - (aq) + 5e - + 8H + (aq) Mn +2( aq) + 4H 2 O(l 4.4
(B) Cr(OH) 3(s) CrO 4-2 (aq) basic solution (a) 兩 邊 均 含 一 個 Cr, 所 以 不 必 平 衡 Cr Cr(OH) 3(aq) CrO 4-2 (aq) (b) Cr 的 氧 化 數 +3 +6, 為 氧 化 半 反 應 Cr(OH) 3(aq) CrI -2 4 (aq) + 3e - (c) 平 衡 總 電 荷, 左 邊 0, 右 邊 -5, 鹼 性 溶 液 中, 以 OH - 平 衡 電 荷 Cr(OH) 3(aq) + 5OH - (aq) Mn+2 (aq) + 3e- (d) 平 衡 H, 左 邊 8 個 H, 所 以 右 邊 加 入 4 H 2 O Cr(OH) 3(aq) + 5OH - CrO -2 4 (aq) + 3e - + 4H 2 O (l) (e) 方 程 式 左 右 各 有 8 個 O, 為 己 平 衡 之 還 原 半 反 應 Cr(OH) 3(aq) + 5OH - CrO -2 4 (aq) + 3e - + 4H 2 O (l) 4.4
3. Balancing Redox equation 1. Split the equation into tow half-equations, one for reduction, the other for oxidation. 將 反 應 方 程 式 分 別 以 兩 個 半 反 應 方 程 式 表 示, 一 個 氧 化, 一 個 還 原 2. Balance one of the half-equations with respect to both atoms and charge as described above 平 衡 其 中 一 個 半 反 應 方 程 式 中 的 原 子 數 及 電 荷 數 3. Balance the other half-equation 平 衡 另 一 個 半 反 應 方 程 式 中 的 原 子 數 及 電 荷 數 4. Combine the two half-equations in such a way as to eliminate electrons(2 + 3) 消 去 電 子 藉 著 消 去 方 程 式 兩 邊 的 電 子 數, 將 兩 個 半 反 應 方 程 式 結 合 起 來 4.4
Ex 4-10:Balance the following redox equations (a) Fe +2 (aq) + MnO 4 - (aq) Fe +3 (aq) + Mn +2 acid solution (1) 氧 化 : Fe +2 (aq) Fe+3 (aq) Fe +2 (aq) Fe+3 (aq ) + e- 還 原 : MnO 4 - (aq) Mn +2 (aq) MnO 4 - (aq) + 5e - + 8H + (aq) Mn+2 (aq) + 4H 2 O (l) 為 使 電 子 可 消 去, 故 在 氧 化 反 應 方 程 式 乘 以 5 5Fe +2 (aq) 5Fe+3 (aq) + 5e- MnO - 4 (aq) + 5e - + 8H + (aq) Mn+2 (aq) + 4H 2 O (l) MnO 4 - (aq) + 5Fe +2 + 8H + (aq) Mn+2 (aq) + 5Fe+3 (aq) + 4H 2 O (l) 4.4
(b) Cl 2(aq) + Cr(OH) 3(aq) Cl - (aq) + CrO 4-2 (aq) 鹼 性 溶 液 (1) 氧 化 : Cr(OH) 3(aq) CrO 4-2 (aq) Cr(OH) 3(s) + 5OH - (aq) CrO 4-2 (aq ) + 3e- + 4H 2 O (l) 還 原 : Cl 2(aq) 2Cl - (aq) Cl 2(aq) + 2e - 2Cl - (aq) 為 使 電 子 可 消 去, 故 還 原 反 應 方 程 式 3 為 使 電 子 可 消 去, 故 在 氧 化 反 應 方 程 式 2 3Cl 2(aq) + 6e - 6Cl - (aq) 2Cr(OH) 3(s) + 10OH - (aq) 2CrO 4-2 (aq ) + 6e- + 8H 2 O (l) 3Cl 2(aq) + 2Cr(OH) 3(s) + 10OH - (aq) 2CrO 4-2 (aq ) +6Cl- (aq) + 8H 2 O (l) 4.4
Ex 4-11:As you found in Example 4.10, the balanced equation for the reaction between and in acidic solution is What volume of 0.684 M KMnO4 solution is required to react completely with 27.5 ml 0.250 M Fe(NO3) 2? MnO 4 - (aq) + 5Fe +2 + 8H + (aq) Mn+2 (aq) + 5Fe+3 (aq) + 4H 2 O (l) n + 2 Fe n +2 Fe = 0.02750L n KMnO4 0.250molFe 1L (NO 3 1molMnO 5molFe V = ) 2 KMnO 4 n M 1molFe 1molFe(NO - 3 4 3 n - = 6.88 10 mol = 1.38 10 MnO 4 + 2 KMnO 4 KMnO + 2 3 ) 2 mol 4 = 6.88 MnO 10-4 3 mol Fe + 2 V MnO - 4 = 1.38 = 2.02 10 10 3 3 mol L MnO - 4 1mol KMnO 1mol MnO - 4 4 1L 0.684mol KMnO 4 4.4