IChO 1968 · Theory problem 2
Equations of three redox reactions
Write down equations for the following reactions:
2.1 Oxidation of chromium(III) chloride with bromine in alkaline solution (\(\ce{KOH}\)).
2.2 Oxidation of potassium nitrite with potassium permanganate in acid solution (\(\ce{H2SO4}\)).
2.3 Action of chlorine on lime water (\(\ce{Ca(OH)2}\)) in a cold reaction mixture.
Official English text of the problem.
Answers
-
2.1 \[ \boxed{\ce{2CrCl3 + 3Br2 + 16KOH -> 2K2CrO4 + 6KBr + 6KCl + 8H2O}} \]
-
2.2 \[ \boxed{\ce{5KNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5KNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}} \]
-
2.3 \[ \boxed{\ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}} \]
Solution
2.1
Bromine oxidizes chromium from oxidation state \(+3\) to \(+6\). In alkaline solution, the resulting chromium(VI) species is chromate, \(\ce{CrO4^2-}\). Bromine is reduced from oxidation state \(0\) to \(-1\), forming bromide, \(\ce{Br-}\).
The half-reactions in alkaline solution are \[ \ce{Cr^3+ + 8OH- -> CrO4^2- + 4H2O + 3e-} \] and \[ \ce{Br2 + 2e- -> 2Br-}. \]
Multiplying the first by \(2\) and the second by \(3\) balances the transfer of six electrons: \[ \ce{2Cr^3+ + 3Br2 + 16OH- -> 2CrO4^2- + 6Br- + 8H2O}. \]
Restoring the potassium and chloride spectator ions gives the molecular equation in 2.1. The salt products are potassium chromate, potassium bromide, and potassium chloride.
2.2
Nitrogen is oxidized from \(+3\) in nitrite, \(\ce{NO2-}\), to \(+5\) in nitrate, \(\ce{NO3-}\), losing two electrons per nitrogen atom. Manganese is reduced from \(+7\) in permanganate, \(\ce{MnO4-}\), to \(+2\) in acidic solution, gaining five electrons per manganese atom.
The half-reactions are \[ \ce{NO2- + H2O -> NO3- + 2H+ + 2e-} \] and \[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Multiplying the first by \(5\) and the second by \(2\), then cancelling electrons, water, and hydrogen ions, gives \[ \ce{5NO2- + 2MnO4- + 6H+ -> 5NO3- + 2Mn^2+ + 3H2O}. \]
The six hydrogen ions require three formula units of sulfuric acid. Restoring potassium and sulfate gives the equation in 2.2, with potassium nitrate, manganese(II) sulfate, and potassium sulfate as the salt products.
2.3
In a cold alkaline mixture, chlorine undergoes disproportionation:
- One chlorine atom is reduced from \(0\) to \(-1\), forming chloride.
- The other is oxidized from \(0\) to \(+1\), forming hypochlorite, \(\ce{ClO-}\).
Thus chloride and hypochlorite form in equal amounts. Balancing oxygen and hydrogen with hydroxide and water gives \[ \ce{Cl2 + 2OH- -> Cl- + ClO- + H2O}. \]
Calcium remains in oxidation state \(+2\). Using calcium hydroxide as the source of hydroxide gives calcium chloride and calcium hypochlorite: \[ \ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}. \]
The same stoichiometry can be written using the formal mixed-salt shorthand
\[
\ce{Cl2 + Ca(OH)2 -> CaCl(OCl) + H2O}.
\]
Here calcium chloride hypochlorite, \(\ce{CaCl(OCl)}\), [Ca+2].[Cl-].[O-]Cl, records the calcium, chloride, and hypochlorite composition of the aqueous products.
Names and SMILES
The salts in these equations consist of ions; their constituent-ion SMILES are given below, with their proportions specified by the chemical formulas.
| Molecule or ion | SMILES |
|---|---|
| Bromine, \(\ce{Br2}\) | BrBr |
| Chlorine, \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Water, \(\ce{H2O}\) | O |
| Sulfuric acid, \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Hydrogen ion, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Hydroxide ion, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Potassium ion, \(\ce{K+}\) | [K+] |
| Calcium ion, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Chromium(III) ion, \(\ce{Cr^3+}\) | [Cr+3] |
| Manganese(II) ion, \(\ce{Mn^2+}\) | [Mn+2] |
| Chloride ion, \(\ce{Cl-}\) | [Cl-] |
| Bromide ion, \(\ce{Br-}\) | [Br-] |
| Chromate ion, \(\ce{CrO4^2-}\) | [O-][Cr](=O)(=O)[O-] |
| Nitrite ion, \(\ce{NO2-}\) | [O-]N=O |
| Nitrate ion, \(\ce{NO3-}\) | [O-][N+](=O)[O-] |
| Permanganate ion, \(\ce{MnO4-}\) | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Sulfate ion, \(\ce{SO4^2-}\) | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| Hypochlorite ion, \(\ce{ClO-}\) | [O-]Cl |
These SMILES do not specify solvation or ionic crystal structures. Chromate, permanganate, and sulfate have tetrahedral oxygen arrangements around their central atoms; nitrate is trigonal planar, and nitrite is bent. The oxoanion SMILES show representative resonance forms rather than a unique localization of bonds and charge.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1968 · Theorieaufgabe 2
Gleichungen dreier Redoxreaktionen
Stellen Sie die Gleichungen für die folgenden Reaktionen auf:
2.1 Oxidation von Chrom(III)-chlorid mit Brom in alkalischer Lösung (\(\ce{KOH}\)).
2.2 Oxidation von Kaliumnitrit mit Kaliumpermanganat in saurer Lösung (\(\ce{H2SO4}\)).
2.3 Einwirkung von Chlor auf Kalkwasser (\(\ce{Ca(OH)2}\)) in einem kalten Reaktionsgemisch.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
2.1 \[ \boxed{\ce{2CrCl3 + 3Br2 + 16KOH -> 2K2CrO4 + 6KBr + 6KCl + 8H2O}} \]
-
2.2 \[ \boxed{\ce{5KNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5KNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}} \]
-
2.3 \[ \boxed{\ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}} \]
Lösung
2.1
Brom oxidiert Chrom von der Oxidationsstufe \(+3\) zur Oxidationsstufe \(+6\). In alkalischer Lösung ist die entstehende Chrom(VI)-Spezies Chromat, \(\ce{CrO4^2-}\). Brom wird von der Oxidationsstufe \(0\) zur Oxidationsstufe \(-1\) reduziert, wobei Bromid, \(\ce{Br-}\), entsteht.
Die Teilgleichungen in alkalischer Lösung lauten \[ \ce{Cr^3+ + 8OH- -> CrO4^2- + 4H2O + 3e-} \] und \[ \ce{Br2 + 2e- -> 2Br-}. \]
Durch Multiplikation der ersten Teilgleichung mit \(2\) und der zweiten mit \(3\) wird die Übertragung von sechs Elektronen ausgeglichen: \[ \ce{2Cr^3+ + 3Br2 + 16OH- -> 2CrO4^2- + 6Br- + 8H2O}. \]
Durch Wiedereinfügen der Kalium- und Chloridionen als Zuschauerionen erhält man die Stoffgleichung in 2.1. Die entstehenden Salze sind Kaliumchromat, Kaliumbromid und Kaliumchlorid.
2.2
Stickstoff wird von \(+3\) im Nitrit, \(\ce{NO2-}\), zu \(+5\) im Nitrat, \(\ce{NO3-}\), oxidiert und gibt dabei zwei Elektronen pro Stickstoffatom ab. Mangan wird von \(+7\) im Permanganat, \(\ce{MnO4-}\), zu \(+2\) in saurer Lösung reduziert und nimmt dabei fünf Elektronen pro Manganatom auf.
Die Teilgleichungen lauten \[ \ce{NO2- + H2O -> NO3- + 2H+ + 2e-} \] und \[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Durch Multiplikation der ersten Teilgleichung mit \(5\) und der zweiten mit \(2\) sowie anschließendes Kürzen der Elektronen, des Wassers und der Wasserstoffionen erhält man \[ \ce{5NO2- + 2MnO4- + 6H+ -> 5NO3- + 2Mn^2+ + 3H2O}. \]
Für die sechs Wasserstoffionen werden drei Formeleinheiten Schwefelsäure benötigt. Durch Wiedereinfügen der Kalium- und Sulfationen erhält man die Gleichung in 2.2, wobei Kaliumnitrat, Mangan(II)-sulfat und Kaliumsulfat als Salze entstehen.
2.3
In einem kalten alkalischen Gemisch unterliegt Chlor einer Disproportionierung:
- Ein Chloratom wird von \(0\) zu \(-1\) reduziert, wobei Chlorid entsteht.
- Das andere wird von \(0\) zu \(+1\) oxidiert, wobei Hypochlorit, \(\ce{ClO-}\), entsteht.
Somit entstehen Chlorid und Hypochlorit in gleichen Mengen. Durch Ausgleichen von Sauerstoff und Wasserstoff mit Hydroxid und Wasser erhält man \[ \ce{Cl2 + 2OH- -> Cl- + ClO- + H2O}. \]
Calcium bleibt in der Oxidationsstufe \(+2\). Bei Verwendung von Calciumhydroxid als Hydroxidquelle entstehen Calciumchlorid und Calciumhypochlorit: \[ \ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}. \]
Dieselbe Stöchiometrie lässt sich mithilfe der formalen Kurzschreibweise als gemischtes Salz darstellen:
\[
\ce{Cl2 + Ca(OH)2 -> CaCl(OCl) + H2O}.
\]
Hier gibt Calciumchloridhypochlorit, \(\ce{CaCl(OCl)}\), [Ca+2].[Cl-].[O-]Cl, die Zusammensetzung der wässrigen Produkte aus Calcium, Chlorid und Hypochlorit wieder.
Namen und SMILES
Die Salze in diesen Gleichungen bestehen aus Ionen; die SMILES ihrer einzelnen Ionen sind nachstehend angegeben, wobei deren Mengenverhältnisse durch die chemischen Formeln festgelegt sind.
| Molekül oder Ion | SMILES |
|---|---|
| Brom, \(\ce{Br2}\) | BrBr |
| Chlor, \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Wasser, \(\ce{H2O}\) | O |
| Schwefelsäure, \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Wasserstoffion, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Hydroxidion, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Kaliumion, \(\ce{K+}\) | [K+] |
| Calciumion, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Chrom(III)-Ion, \(\ce{Cr^3+}\) | [Cr+3] |
| Mangan(II)-Ion, \(\ce{Mn^2+}\) | [Mn+2] |
| Chloridion, \(\ce{Cl-}\) | [Cl-] |
| Bromidion, \(\ce{Br-}\) | [Br-] |
| Chromation, \(\ce{CrO4^2-}\) | [O-][Cr](=O)(=O)[O-] |
| Nitrition, \(\ce{NO2-}\) | [O-]N=O |
| Nitration, \(\ce{NO3-}\) | [O-][N+](=O)[O-] |
| Permanganation, \(\ce{MnO4-}\) | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Sulfation, \(\ce{SO4^2-}\) | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| Hypochlorition, \(\ce{ClO-}\) | [O-]Cl |
Diese SMILES beschreiben weder die Solvatation noch die Strukturen der Ionenkristalle. Chromat, Permanganat und Sulfat weisen eine tetraedrische Anordnung der Sauerstoffatome um ihre Zentralatome auf; Nitrat ist trigonal-planar und Nitrit gewinkelt. Die SMILES der Oxoanionen zeigen repräsentative mesomere Grenzstrukturen und keine eindeutige Lokalisierung von Bindungen und Ladung.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1968 · Teori sorusu 2
Üç redoks tepkimesinin denklemleri
Aşağıdaki tepkimelerin denklemlerini yazınız:
2.1 Krom(III) klorürün bazik çözeltide (\(\ce{KOH}\)) brom ile yükseltgenmesi.
2.2 Potasyum nitritin asidik çözeltide (\(\ce{H2SO4}\)) potasyum permanganat ile yükseltgenmesi.
2.3 Soğuk bir tepkime karışımında klorun kireç suyuna (\(\ce{Ca(OH)2}\)) etkisi.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
2.1 \[ \boxed{\ce{2CrCl3 + 3Br2 + 16KOH -> 2K2CrO4 + 6KBr + 6KCl + 8H2O}} \]
-
2.2 \[ \boxed{\ce{5KNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5KNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}} \]
-
2.3 \[ \boxed{\ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}} \]
Çözüm
2.1
Brom, kromu \(+3\) yükseltgenme basamağından \(+6\) yükseltgenme basamağına yükseltger. Bazik çözeltide oluşan krom(VI) türü kromat, \(\ce{CrO4^2-}\), iyonudur. Brom, \(0\) yükseltgenme basamağından \(-1\) yükseltgenme basamağına indirgenerek bromür, \(\ce{Br-}\), iyonunu oluşturur.
Bazik çözeltideki yarı tepkimeler şunlardır: \[ \ce{Cr^3+ + 8OH- -> CrO4^2- + 4H2O + 3e-} \] ve \[ \ce{Br2 + 2e- -> 2Br-}. \]
Birinci yarı tepkimeyi \(2\), ikinciyi \(3\) ile çarpmak, altı elektronun aktarımını dengeler: \[ \ce{2Cr^3+ + 3Br2 + 16OH- -> 2CrO4^2- + 6Br- + 8H2O}. \]
Potasyum ve klorür seyirci iyonları yeniden eklendiğinde 2.1'deki moleküler denklem elde edilir. Oluşan tuzlar potasyum kromat, potasyum bromür ve potasyum klorürdür.
2.2
Azot, nitrit, \(\ce{NO2-}\), iyonundaki \(+3\) yükseltgenme basamağından nitrat, \(\ce{NO3-}\), iyonundaki \(+5\) yükseltgenme basamağına yükseltgenir ve azot atomu başına iki elektron verir. Mangan, permanganat, \(\ce{MnO4-}\), iyonundaki \(+7\) yükseltgenme basamağından asidik çözeltide \(+2\) yükseltgenme basamağına indirgenir ve mangan atomu başına beş elektron alır.
Yarı tepkimeler şunlardır: \[ \ce{NO2- + H2O -> NO3- + 2H+ + 2e-} \] ve \[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Birinci yarı tepkime \(5\), ikinci yarı tepkime \(2\) ile çarpılıp elektronlar, su ve hidrojen iyonları sadeleştirildiğinde şu denklem elde edilir: \[ \ce{5NO2- + 2MnO4- + 6H+ -> 5NO3- + 2Mn^2+ + 3H2O}. \]
Altı hidrojen iyonu için üç formül birimi sülfürik asit gerekir. Potasyum ve sülfat iyonları yeniden eklendiğinde, tuz ürünleri potasyum nitrat, mangan(II) sülfat ve potasyum sülfat olan 2.2'deki denklem elde edilir.
2.3
Soğuk ve bazik bir karışımda klor disproporsiyonlaşmaya uğrar:
- Bir klor atomu \(0\) yükseltgenme basamağından \(-1\) yükseltgenme basamağına indirgenerek klorür oluşturur.
- Diğeri \(0\) yükseltgenme basamağından \(+1\) yükseltgenme basamağına yükseltgenerek hipoklorit, \(\ce{ClO-}\), oluşturur.
Böylece klorür ve hipoklorit eşit miktarlarda oluşur. Oksijen ve hidrojen, hidroksit ve su kullanılarak denkleştirildiğinde şu denklem elde edilir: \[ \ce{Cl2 + 2OH- -> Cl- + ClO- + H2O}. \]
Kalsiyum \(+2\) yükseltgenme basamağında kalır. Hidroksit kaynağı olarak kalsiyum hidroksit kullanıldığında kalsiyum klorür ve kalsiyum hipoklorit oluşur: \[ \ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}. \]
Aynı stokiyometri, biçimsel karma tuz gösterimi kullanılarak şöyle yazılabilir:
\[
\ce{Cl2 + Ca(OH)2 -> CaCl(OCl) + H2O}.
\]
Burada kalsiyum klorür hipoklorit, \(\ce{CaCl(OCl)}\), [Ca+2].[Cl-].[O-]Cl, sulu çözeltideki ürünlerin kalsiyum, klorür ve hipoklorit bileşimini ifade eder.
Adlar ve SMILES
Bu denklemlerdeki tuzlar iyonlardan oluşur; bileşen iyonların SMILES gösterimleri aşağıda verilmiş olup bu iyonların oranları kimyasal formüllerle belirtilmiştir.
| Molekül veya iyon | SMILES |
|---|---|
| Brom, \(\ce{Br2}\) | BrBr |
| Klor, \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Su, \(\ce{H2O}\) | O |
| Sülfürik asit, \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Hidrojen iyonu, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Hidroksit iyonu, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Potasyum iyonu, \(\ce{K+}\) | [K+] |
| Kalsiyum iyonu, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Krom(III) iyonu, \(\ce{Cr^3+}\) | [Cr+3] |
| Mangan(II) iyonu, \(\ce{Mn^2+}\) | [Mn+2] |
| Klorür iyonu, \(\ce{Cl-}\) | [Cl-] |
| Bromür iyonu, \(\ce{Br-}\) | [Br-] |
| Kromat iyonu, \(\ce{CrO4^2-}\) | [O-][Cr](=O)(=O)[O-] |
| Nitrit iyonu, \(\ce{NO2-}\) | [O-]N=O |
| Nitrat iyonu, \(\ce{NO3-}\) | [O-][N+](=O)[O-] |
| Permanganat iyonu, \(\ce{MnO4-}\) | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Sülfat iyonu, \(\ce{SO4^2-}\) | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| Hipoklorit iyonu, \(\ce{ClO-}\) | [O-]Cl |
Bu SMILES gösterimleri solvatasyonu veya iyonik kristal yapılarını belirtmez. Kromat, permanganat ve sülfatta oksijen atomları merkez atomun çevresinde tetrahedral bir düzende bulunur; nitrat üçgen düzlemsel, nitrit ise açısal yapıdadır. Oksoanyonların SMILES gösterimleri, bağların ve yükün tek bir yerleşimini değil, temsili rezonans yapılarını gösterir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1968 · Problema teórico 2
Ecuaciones de tres reacciones redox
Escriba las ecuaciones de las siguientes reacciones:
2.1 Oxidación del cloruro de cromo(III) con bromo en disolución alcalina (\(\ce{KOH}\)).
2.2 Oxidación del nitrito de potasio con permanganato de potasio en disolución ácida (\(\ce{H2SO4}\)).
2.3 Acción del cloro sobre el agua de cal (\(\ce{Ca(OH)2}\)) en una mezcla de reacción fría.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
2.1 \[ \boxed{\ce{2CrCl3 + 3Br2 + 16KOH -> 2K2CrO4 + 6KBr + 6KCl + 8H2O}} \]
-
2.2 \[ \boxed{\ce{5KNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5KNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}} \]
-
2.3 \[ \boxed{\ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}} \]
Solución
2.1
El bromo oxida el cromo del estado de oxidación \(+3\) al \(+6\). En disolución alcalina, la especie de cromo(VI) resultante es el cromato, \(\ce{CrO4^2-}\). El bromo se reduce del estado de oxidación \(0\) al \(-1\), formando bromuro, \(\ce{Br-}\).
Las semirreacciones en disolución alcalina son \[ \ce{Cr^3+ + 8OH- -> CrO4^2- + 4H2O + 3e-} \] y \[ \ce{Br2 + 2e- -> 2Br-}. \]
Al multiplicar la primera por \(2\) y la segunda por \(3\), se equilibra la transferencia de seis electrones: \[ \ce{2Cr^3+ + 3Br2 + 16OH- -> 2CrO4^2- + 6Br- + 8H2O}. \]
Al reincorporar los iones espectadores potasio y cloruro, se obtiene la ecuación molecular de 2.1. Las sales producidas son cromato de potasio, bromuro de potasio y cloruro de potasio.
2.2
El nitrógeno se oxida de \(+3\) en el nitrito, \(\ce{NO2-}\), a \(+5\) en el nitrato, \(\ce{NO3-}\), perdiendo dos electrones por átomo de nitrógeno. El manganeso se reduce de \(+7\) en el permanganato, \(\ce{MnO4-}\), a \(+2\) en disolución ácida, ganando cinco electrones por átomo de manganeso.
Las semirreacciones son \[ \ce{NO2- + H2O -> NO3- + 2H+ + 2e-} \] y \[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Al multiplicar la primera por \(5\) y la segunda por \(2\), y cancelar después los electrones, el agua y los iones hidrógeno, se obtiene \[ \ce{5NO2- + 2MnO4- + 6H+ -> 5NO3- + 2Mn^2+ + 3H2O}. \]
Los seis iones hidrógeno requieren tres unidades fórmula de ácido sulfúrico. Al reincorporar el potasio y el sulfato, se obtiene la ecuación de 2.2, con nitrato de potasio, sulfato de manganeso(II) y sulfato de potasio como sales producidas.
2.3
En una mezcla alcalina fría, el cloro experimenta una desproporción:
- Un átomo de cloro se reduce de \(0\) a \(-1\), formando cloruro.
- El otro se oxida de \(0\) a \(+1\), formando hipoclorito, \(\ce{ClO-}\).
Por tanto, el cloruro y el hipoclorito se forman en cantidades iguales. Al ajustar el oxígeno y el hidrógeno con hidróxido y agua, se obtiene \[ \ce{Cl2 + 2OH- -> Cl- + ClO- + H2O}. \]
El calcio permanece en el estado de oxidación \(+2\). Al utilizar hidróxido de calcio como fuente de hidróxido, se obtienen cloruro de calcio e hipoclorito de calcio: \[ \ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}. \]
La misma estequiometría puede escribirse utilizando la notación abreviada formal de una sal mixta
\[
\ce{Cl2 + Ca(OH)2 -> CaCl(OCl) + H2O}.
\]
Aquí, el cloruro hipoclorito de calcio, \(\ce{CaCl(OCl)}\), [Ca+2].[Cl-].[O-]Cl, representa la composición de los productos acuosos en términos de calcio, cloruro e hipoclorito.
Nombres y SMILES
Las sales de estas ecuaciones están constituidas por iones; a continuación se indican los SMILES de sus iones constituyentes, cuyas proporciones se especifican mediante las fórmulas químicas.
| Molécula o ion | SMILES |
|---|---|
| Bromo, \(\ce{Br2}\) | BrBr |
| Cloro, \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Agua, \(\ce{H2O}\) | O |
| Ácido sulfúrico, \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Ion hidrógeno, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Ion hidróxido, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Ion potasio, \(\ce{K+}\) | [K+] |
| Ion calcio, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Ion cromo(III), \(\ce{Cr^3+}\) | [Cr+3] |
| Ion manganeso(II), \(\ce{Mn^2+}\) | [Mn+2] |
| Ion cloruro, \(\ce{Cl-}\) | [Cl-] |
| Ion bromuro, \(\ce{Br-}\) | [Br-] |
| Ion cromato, \(\ce{CrO4^2-}\) | [O-][Cr](=O)(=O)[O-] |
| Ion nitrito, \(\ce{NO2-}\) | [O-]N=O |
| Ion nitrato, \(\ce{NO3-}\) | [O-][N+](=O)[O-] |
| Ion permanganato, \(\ce{MnO4-}\) | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Ion sulfato, \(\ce{SO4^2-}\) | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| Ion hipoclorito, \(\ce{ClO-}\) | [O-]Cl |
Estos SMILES no especifican la solvatación ni las estructuras cristalinas iónicas. El cromato, el permanganato y el sulfato presentan disposiciones tetraédricas de los átomos de oxígeno alrededor de sus átomos centrales; el nitrato tiene geometría trigonal plana y el nitrito, angular. Los SMILES de los oxoaniones muestran formas de resonancia representativas, en lugar de una localización única de los enlaces y la carga.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1968 · 理论题 2
三个氧化还原反应的方程式
写出下列反应的方程式:
2.1 在碱性溶液(\(\ce{KOH}\))中,用溴氧化氯化铬(III)。
2.2 在酸性溶液(\(\ce{H2SO4}\))中,用高锰酸钾氧化亚硝酸钾。
2.3 在冷的反应混合物中,氯气与石灰水(\(\ce{Ca(OH)2}\))的反应。
题目译自官方英文原文。
答案
-
2.1 \[ \boxed{\ce{2CrCl3 + 3Br2 + 16KOH -> 2K2CrO4 + 6KBr + 6KCl + 8H2O}} \]
-
2.2 \[ \boxed{\ce{5KNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5KNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}} \]
-
2.3 \[ \boxed{\ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}} \]
解答
2.1
溴将铬的氧化态从 \(+3\) 氧化至 \(+6\)。在碱性溶液中,生成的铬(VI)物种为铬酸根离子,\(\ce{CrO4^2-}\)。溴的氧化态从 \(0\) 还原至 \(-1\),生成溴离子,\(\ce{Br-}\)。
碱性溶液中的半反应为 \[ \ce{Cr^3+ + 8OH- -> CrO4^2- + 4H2O + 3e-} \] 和 \[ \ce{Br2 + 2e- -> 2Br-}. \]
将第一个半反应乘以 \(2\),第二个半反应乘以 \(3\),即可使转移的六个电子配平: \[ \ce{2Cr^3+ + 3Br2 + 16OH- -> 2CrO4^2- + 6Br- + 8H2O}. \]
补回作为旁观离子的钾离子和氯离子,即得到 2.1 中的分子方程式。生成的盐为铬酸钾、溴化钾和氯化钾。
2.2
氮从亚硝酸根离子 \(\ce{NO2-}\) 中的 \(+3\) 价被氧化至硝酸根离子 \(\ce{NO3-}\) 中的 \(+5\) 价,每个氮原子失去两个电子。锰从高锰酸根离子 \(\ce{MnO4-}\) 中的 \(+7\) 价被还原至酸性溶液中的 \(+2\) 价,每个锰原子得到五个电子。
半反应为 \[ \ce{NO2- + H2O -> NO3- + 2H+ + 2e-} \] 和 \[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
将第一个半反应乘以 \(5\),第二个半反应乘以 \(2\),然后消去两侧共有的电子、水和氢离子,得到 \[ \ce{5NO2- + 2MnO4- + 6H+ -> 5NO3- + 2Mn^2+ + 3H2O}. \]
六个氢离子需要由三个化学式单位的硫酸提供。补回钾离子和硫酸根离子,即得到 2.2 中的方程式,生成的盐为硝酸钾、硫酸锰(II)和硫酸钾。
2.3
在冷的碱性混合物中,氯发生歧化反应:
- 一个氯原子从 \(0\) 价被还原至 \(-1\) 价,生成氯离子。
- 另一个氯原子从 \(0\) 价被氧化至 \(+1\) 价,生成次氯酸根离子,\(\ce{ClO-}\)。
因此,生成的氯离子和次氯酸根离子的物质的量相等。用氢氧根离子和水配平氧、氢原子,得到 \[ \ce{Cl2 + 2OH- -> Cl- + ClO- + H2O}. \]
钙的氧化态保持为 \(+2\)。以氢氧化钙作为氢氧根离子的来源,生成氯化钙和次氯酸钙: \[ \ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}. \]
同一化学计量关系也可以用形式上的混盐简写表示为
\[
\ce{Cl2 + Ca(OH)2 -> CaCl(OCl) + H2O}.
\]
这里的氯化次氯酸钙,\(\ce{CaCl(OCl)}\),[Ca+2].[Cl-].[O-]Cl,表示水溶液产物中钙离子、氯离子和次氯酸根离子的组成。
名称与 SMILES
这些方程式中的盐由离子组成;下表列出了其组成离子的 SMILES,各离子的比例由化学式给出。
| 分子或离子 | SMILES |
|---|---|
| 溴,\(\ce{Br2}\) | BrBr |
| 氯气,\(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| 水,\(\ce{H2O}\) | O |
| 硫酸,\(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| 氢离子,\(\ce{H+}\) | [H+] |
| 氢氧根离子,\(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| 钾离子,\(\ce{K+}\) | [K+] |
| 钙离子,\(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| 铬(III)离子,\(\ce{Cr^3+}\) | [Cr+3] |
| 锰(II)离子,\(\ce{Mn^2+}\) | [Mn+2] |
| 氯离子,\(\ce{Cl-}\) | [Cl-] |
| 溴离子,\(\ce{Br-}\) | [Br-] |
| 铬酸根离子,\(\ce{CrO4^2-}\) | [O-][Cr](=O)(=O)[O-] |
| 亚硝酸根离子,\(\ce{NO2-}\) | [O-]N=O |
| 硝酸根离子,\(\ce{NO3-}\) | [O-][N+](=O)[O-] |
| 高锰酸根离子,\(\ce{MnO4-}\) | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| 硫酸根离子,\(\ce{SO4^2-}\) | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| 次氯酸根离子,\(\ce{ClO-}\) | [O-]Cl |
这些 SMILES 未指定溶剂化状态或离子晶体结构。铬酸根离子、高锰酸根离子和硫酸根离子中的氧原子在中心原子周围呈四面体排列;硝酸根离子呈平面三角形,亚硝酸根离子呈折线形。含氧阴离子的 SMILES 展示的是代表性的共振式,并不表示键和电荷具有唯一的定域分布。
解答已与官方解答核对。
IChO 1968 · Теоретическая задача 2
Уравнения трёх окислительно-восстановительных реакций
Напишите уравнения следующих реакций:
2.1 Окисление хлорида хрома(III) бромом в щелочном растворе (\(\ce{KOH}\)).
2.2 Окисление нитрита калия перманганатом калия в кислом растворе (\(\ce{H2SO4}\)).
2.3 Действие хлора на известковую воду (\(\ce{Ca(OH)2}\)) в холодной реакционной смеси.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
2.1 \[ \boxed{\ce{2CrCl3 + 3Br2 + 16KOH -> 2K2CrO4 + 6KBr + 6KCl + 8H2O}} \]
-
2.2 \[ \boxed{\ce{5KNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5KNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}} \]
-
2.3 \[ \boxed{\ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}} \]
Решение
2.1
Бром окисляет хром из степени окисления \(+3\) до \(+6\). В щелочном растворе образующейся формой хрома(VI) является хромат-ион, \(\ce{CrO4^2-}\). Бром восстанавливается из степени окисления \(0\) до \(-1\), образуя бромид-ион, \(\ce{Br-}\).
Полуреакции в щелочном растворе имеют вид \[ \ce{Cr^3+ + 8OH- -> CrO4^2- + 4H2O + 3e-} \] и \[ \ce{Br2 + 2e- -> 2Br-}. \]
Умножение первой полуреакции на \(2\), а второй на \(3\) уравнивает число отдаваемых и принимаемых электронов: оно равно шести. \[ \ce{2Cr^3+ + 3Br2 + 16OH- -> 2CrO4^2- + 6Br- + 8H2O}. \]
Добавление ионов калия и хлорид-ионов, не участвующих в реакции, даёт молекулярное уравнение, приведённое в 2.1. Образующиеся соли — хромат калия, бромид калия и хлорид калия.
2.2
Азот окисляется из степени окисления \(+3\) в нитрит-ионе, \(\ce{NO2-}\), до \(+5\) в нитрат-ионе, \(\ce{NO3-}\), отдавая по два электрона на каждый атом азота. Марганец восстанавливается из степени окисления \(+7\) в перманганат-ионе, \(\ce{MnO4-}\), до \(+2\) в кислом растворе, принимая по пять электронов на каждый атом марганца.
Полуреакции имеют вид \[ \ce{NO2- + H2O -> NO3- + 2H+ + 2e-} \] и \[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
Умножая первую полуреакцию на \(5\), а вторую на \(2\), затем сокращая электроны, воду и ионы водорода, получаем \[ \ce{5NO2- + 2MnO4- + 6H+ -> 5NO3- + 2Mn^2+ + 3H2O}. \]
Для получения шести ионов водорода требуются три формульные единицы серной кислоты. Добавление ионов калия и сульфат-ионов даёт уравнение, приведённое в 2.2, в котором образующимися солями являются нитрат калия, сульфат марганца(II) и сульфат калия.
2.3
В холодной щелочной смеси хлор подвергается диспропорционированию:
- Один атом хлора восстанавливается из степени окисления \(0\) до \(-1\), образуя хлорид-ион.
- Другой окисляется из степени окисления \(0\) до \(+1\), образуя гипохлорит-ион, \(\ce{ClO-}\).
Таким образом, хлорид-ионы и гипохлорит-ионы образуются в равных количествах. Уравнивая кислород и водород с помощью гидроксид-ионов и воды, получаем \[ \ce{Cl2 + 2OH- -> Cl- + ClO- + H2O}. \]
Кальций сохраняет степень окисления \(+2\). При использовании гидроксида кальция в качестве источника гидроксид-ионов образуются хлорид кальция и гипохлорит кальция: \[ \ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}. \]
То же стехиометрическое соотношение можно записать, используя условное обозначение смешанной соли:
\[
\ce{Cl2 + Ca(OH)2 -> CaCl(OCl) + H2O}.
\]
Здесь хлорид-гипохлорит кальция, \(\ce{CaCl(OCl)}\), [Ca+2].[Cl-].[O-]Cl, отражает содержание кальция, хлорид-ионов и гипохлорит-ионов в продуктах реакции в водном растворе.
Названия и SMILES
Соли в этих уравнениях состоят из ионов; ниже приведены SMILES составляющих их ионов, соотношения которых заданы химическими формулами.
| Молекула или ион | SMILES |
|---|---|
| Бром, \(\ce{Br2}\) | BrBr |
| Хлор, \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Вода, \(\ce{H2O}\) | O |
| Серная кислота, \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Ион водорода, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Гидроксид-ион, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Ион калия, \(\ce{K+}\) | [K+] |
| Ион кальция, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Ион хрома(III), \(\ce{Cr^3+}\) | [Cr+3] |
| Ион марганца(II), \(\ce{Mn^2+}\) | [Mn+2] |
| Хлорид-ион, \(\ce{Cl-}\) | [Cl-] |
| Бромид-ион, \(\ce{Br-}\) | [Br-] |
| Хромат-ион, \(\ce{CrO4^2-}\) | [O-][Cr](=O)(=O)[O-] |
| Нитрит-ион, \(\ce{NO2-}\) | [O-]N=O |
| Нитрат-ион, \(\ce{NO3-}\) | [O-][N+](=O)[O-] |
| Перманганат-ион, \(\ce{MnO4-}\) | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| Сульфат-ион, \(\ce{SO4^2-}\) | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| Гипохлорит-ион, \(\ce{ClO-}\) | [O-]Cl |
Эти записи SMILES не описывают сольватацию или структуру ионных кристаллов. В хромат-, перманганат- и сульфат-ионах атомы кислорода расположены тетраэдрически вокруг центральных атомов; нитрат-ион имеет плоскую треугольную форму, а нитрит-ион — угловую. Записи SMILES оксоанионов показывают отдельные резонансные формы, а не однозначную локализацию связей и заряда.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1968 · مسألة نظرية 2
معادلات ثلاثة تفاعلات أكسدة واختزال
اكتب معادلات التفاعلات الآتية:
2.1 أكسدة كلوريد الكروم(III) بالبروم في محلول قلوي (\(\ce{KOH}\)).
2.2 أكسدة نتريت البوتاسيوم ببرمنغنات البوتاسيوم في محلول حمضي (\(\ce{H2SO4}\)).
2.3 تأثير الكلور في ماء الجير (\(\ce{Ca(OH)2}\)) في مزيج تفاعل بارد.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
2.1 \[ \boxed{\ce{2CrCl3 + 3Br2 + 16KOH -> 2K2CrO4 + 6KBr + 6KCl + 8H2O}} \]
-
2.2 \[ \boxed{\ce{5KNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5KNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O}} \]
-
2.3 \[ \boxed{\ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}} \]
الحل
2.1
يؤكسد البروم الكروم من حالة الأكسدة \(+3\) إلى \(+6\). في المحلول القلوي، يكون النوع الكيميائي الناتج للكروم(VI) هو الكرومات، \(\ce{CrO4^2-}\). ويُختزل البروم من حالة الأكسدة \(0\) إلى \(-1\)، مكوِّنًا البروميد، \(\ce{Br-}\).
نصفا التفاعل في المحلول القلوي هما \[ \ce{Cr^3+ + 8OH- -> CrO4^2- + 4H2O + 3e-} \] و \[ \ce{Br2 + 2e- -> 2Br-}. \]
بضرب الأول في \(2\) والثاني في \(3\)، تتوازن عملية انتقال ستة إلكترونات: \[ \ce{2Cr^3+ + 3Br2 + 16OH- -> 2CrO4^2- + 6Br- + 8H2O}. \]
بإعادة إدراج أيونات البوتاسيوم والكلوريد المتفرجة، نحصل على المعادلة الجزيئية في 2.1. والنواتج الملحية هي كرومات البوتاسيوم وبروميد البوتاسيوم وكلوريد البوتاسيوم.
2.2
يتأكسد النيتروجين من \(+3\) في النتريت، \(\ce{NO2-}\)، إلى \(+5\) في النترات، \(\ce{NO3-}\)، فتفقد كل ذرة نيتروجين إلكترونين. ويُختزل المنغنيز من \(+7\) في البرمنغنات، \(\ce{MnO4-}\)، إلى \(+2\) في المحلول الحمضي، فتكتسب كل ذرة منغنيز خمسة إلكترونات.
نصفا التفاعل هما \[ \ce{NO2- + H2O -> NO3- + 2H+ + 2e-} \] و \[ \ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. \]
بضرب الأول في \(5\) والثاني في \(2\)، ثم اختزال الإلكترونات والماء وأيونات الهيدروجين المشتركة بين طرفي المعادلة، نحصل على \[ \ce{5NO2- + 2MnO4- + 6H+ -> 5NO3- + 2Mn^2+ + 3H2O}. \]
تتطلب أيونات الهيدروجين الستة ثلاث وحدات صيغة من حمض الكبريتيك. وبإعادة إدراج البوتاسيوم والكبريتات، نحصل على المعادلة في 2.2، وتكون النواتج الملحية هي نترات البوتاسيوم وكبريتات المنغنيز(II) وكبريتات البوتاسيوم.
2.3
في مزيج قلوي بارد، يخضع الكلور لتفاعل عدم التناسب:
- تُختزل إحدى ذرتي الكلور من \(0\) إلى \(-1\)، مكوِّنةً الكلوريد.
- وتتأكسد الأخرى من \(0\) إلى \(+1\)، مكوِّنةً الهيبوكلوريت، \(\ce{ClO-}\).
وهكذا يتكوّن الكلوريد والهيبوكلوريت بكميتين متساويتين. وبموازنة الأكسجين والهيدروجين باستخدام الهيدروكسيد والماء، نحصل على \[ \ce{Cl2 + 2OH- -> Cl- + ClO- + H2O}. \]
يبقى الكالسيوم في حالة الأكسدة \(+2\). ويعطي استخدام هيدروكسيد الكالسيوم مصدرًا للهيدروكسيد كلوريد الكالسيوم وهيبوكلوريت الكالسيوم: \[ \ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}. \]
يمكن كتابة النسب الستوكيومترية نفسها باستخدام الصيغة المختصرة الشكلية للملح المختلط
\[
\ce{Cl2 + Ca(OH)2 -> CaCl(OCl) + H2O}.
\]
هنا يعبّر كلوريد هيبوكلوريت الكالسيوم، \(\ce{CaCl(OCl)}\)، [Ca+2].[Cl-].[O-]Cl، عن تركيب النواتج المائية من الكالسيوم والكلوريد والهيبوكلوريت.
الأسماء وSMILES
تتكون الأملاح في هذه المعادلات من أيونات؛ وترد أدناه تمثيلات SMILES للأيونات المكوِّنة لها، وتُحدَّد نسبها بالصيغ الكيميائية.
| الجزيء أو الأيون | SMILES |
|---|---|
| البروم، \(\ce{Br2}\) | BrBr |
| الكلور، \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| الماء، \(\ce{H2O}\) | O |
| حمض الكبريتيك، \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| أيون الهيدروجين، \(\ce{H+}\) | [H+] |
| أيون الهيدروكسيد، \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| أيون البوتاسيوم، \(\ce{K+}\) | [K+] |
| أيون الكالسيوم، \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| أيون الكروم(III)، \(\ce{Cr^3+}\) | [Cr+3] |
| أيون المنغنيز(II)، \(\ce{Mn^2+}\) | [Mn+2] |
| أيون الكلوريد، \(\ce{Cl-}\) | [Cl-] |
| أيون البروميد، \(\ce{Br-}\) | [Br-] |
| أيون الكرومات، \(\ce{CrO4^2-}\) | [O-][Cr](=O)(=O)[O-] |
| أيون النتريت، \(\ce{NO2-}\) | [O-]N=O |
| أيون النترات، \(\ce{NO3-}\) | [O-][N+](=O)[O-] |
| أيون البرمنغنات، \(\ce{MnO4-}\) | [O-][Mn](=O)(=O)=O |
| أيون الكبريتات، \(\ce{SO4^2-}\) | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| أيون الهيبوكلوريت، \(\ce{ClO-}\) | [O-]Cl |
لا تحدد تمثيلات SMILES هذه الإذواب أو البنى البلورية الأيونية. تتخذ ذرات الأكسجين في الكرومات والبرمنغنات والكبريتات ترتيبًا رباعي السطوح حول ذراتها المركزية؛ أما النترات فبنيتها مثلثية مستوية، والنتريت بنيته منحنية. وتُظهر تمثيلات SMILES للأنيونات الأكسجينية صيغ رنين تمثيلية، ولا تحدد مواضع وحيدة للروابط والشحنة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.