Условие задачи
Французский химик К. Шееле получил хлор по реакции оксида марганца (IV) с соляной кислотой. В результате этой реакции образуются также хлорид марганца (II) и вода. Составьте уравнение этой реакции, рассмотрите окислительно-восстановительные процессы и рассчитайте массу оксида марганца (IV) и количество хлороводорода, необходимых для получения 100 л хлора (н. у.), если выход его составляет 95% от теоретически возможного.
Решение
Ниже приведено подробное решение задачи по неорганической химии (окислительно-восстановительные реакции и стехиометрический расчёт).
─────────────────────────────
1. Формулировка задачи
Французский химик К. Шееле получил хлор (Cl₂) в реакции оксида марганца(IV) с соляной кислотой (HCl). При этом в реакции образуются хлорид марганца(II) (MnCl₂) и вода (H₂O). Требуется:
◼ Составить уравнение реакции,
◼ Рассмотреть процессы окисления и восстановления,
◼ Рассчитать массу оксида марганца(IV) и количество хлороводорода, необходимых для получения 100 л хлора (при нормальных условиях, где объём одного моля газа равен 22,4 л), если выход хлора составляет 95 % от теоретически возможного.
─────────────────────────────
2. Составление и балансировка уравнения реакции
Исходная реакция без учета коэффициентов имеет вид:
MnO₂ + HCl → MnCl₂ + Cl₂ + H₂O
Чтобы сбалансировать уравнение, определим число атомов каждого элемента.
Рассмотрим атомы:
• Mn: по 1 слева и справа.
• Cl: в MnCl₂ — 2 атома, Cl₂ содержит 2 атома, итого 4 атома справа, значит HCl должно быть 4 молей, чтобы слева было 4 атома хлора.
• H: в 4 молях HCl – 4 атома, в воде должно быть 2 молекулы (2H₂O, т. к. 2×2 = 4 атома).
• O: в MnO₂ – 2 атома, а в 2 молекулах воды – тоже 2 атома.
Таким образом, сбалансированное уравнение реакции выглядит так:
MnO₂ + 4 HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2 H₂O
─────────────────────────────
3. Окислительно-восстановительные процессы
Определим степени окисления и распишем полуреакции:
a) В MnO₂ марганец имеет степень окисления +4, а в MnCl₂ – +2. Значит происходит восстановление Mn (уменьшение степени окисления на 2).
Полуреакция восстановления:
MnO₂ + 4 H⁺ + 2 e⁻ → Mn²⁺ + 2 H₂O
b) Хлор в HCl имеет степень –1, а в веществе Cl₂ – 0. Значит идет процесс окисления хлорид-ионов.
Полуреакция окисления:
2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
Суммируя обе полуреакции, получаем общую реакцию (с добавлением необходимых HCl для формирования MnCl₂):
MnO₂ + 4 HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2 H₂O
Таким образом, в реакции одновременно происходит восстановление марганца(IV) до марганца(II) и окисление хлорид-ионов до молекулярного хлора.
─────────────────────────────
4. Расчёт количества реагентов
Норма – 22,4 л на 1 моль газа при нормальных условиях.
Шаг 1. Определим число молей Cl₂, соответствующее 100 л при нормальных условиях.
n(Cl₂, фактическое) = 100 л / 22,4 л/моль ≈ 4,4643 моль
При выходе 95 % фактически полученное количество Cl₂ составляет 95 % от теоретически возможного. Чтобы получить 100 л чистого хлора, необходимо, чтобы теоретически образовалось большее количество с учётом выхода реакции.
Обозначим n(Cl₂, теоретич.) за число молей, которое должно было образоваться при 100 % выходе. Тогда выход 95 % означает:
0,95 · n(Cl₂, теоретич.) = 4,4643 моль
n(Cl₂, теоретич.) = 4,4643 / 0,95 ≈ 4,70 моль
Так как по стехиометрии реакции 1 моль MnO₂ даёт 1 моль Cl₂, то для получения 4,70 моль Cl₂ необходимо:
n(MnO₂) = 4,70 моль
А также HCl даётся в 4 раза большем количестве:
n(HCl) = 4 · n(MnO₂) = 4 · 4,70 ≈ 18,80 моль
Шаг 2. Пересчёт в массу и массу веществ (если требуется)
Молярная масса MnO₂ приблизительно равна:
М(Mn) ≈ 54,94 г/моль, М(O) ≈ 16 г/моль,
M(MnO₂) = 54,94 + 2·16 = 54,94 + 32 ≈ 86,94 г/моль
Тогда масса оксида марганца(IV):
m(MnO₂) = n · M = 4,70 моль · 86,94 г/моль ≈ 408,7 г
Приблизительно 409 г.
Для HCl:
М(HCl) ≈ 1 + 35,45 = 36,45 г/моль
m(HCl) = 18,80 моль · 36,45 г/моль ≈ 685,7 г
Таким образом, для получения 100 л Cl₂ (при нормальных условиях) с учетом 95 % выхода необходимо использовать:
• 4,70 моль, что соответствует приблизительно 409 г оксида марганца(IV) (MnO₂),
• 18,80 моль хлороводорода, что соответствует приблизительно 686 г HCl.
─────────────────────────────
5. Итоговый ответ
1. Сбалансированное уравнение реакции:
MnO₂ + 4 HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2 H₂O
2. Окислительно-восстановительные процессы:
– Восстановление: MnO₂ + 4 H⁺ + 2 e⁻ → Mn²⁺ + 2 H₂O
– Окисление: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
3. Расчёт количества реагентов:
При нормальных условиях 100 л Cl₂ содержат примерно 4,464 моль;
с учётом 95 % выхода теоретически необходимо 4,70 моль Cl₂,
то есть требуется 4,70 моль MnO₂ (≈ 409 г) и 18,80 моль HCl (≈ 686 г).
Это и есть подробное решение задачи согласно правилам неорганической химии с использованием стехиометрии и анализа окислительно-восстановительных реакций.