Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 83.

Kategoria: Bilans elektronowy Typ: Napisz równanie reakcji

Związki arsenu wchodzą w skład preparatów stosowanych do zwalczania chwastów. Jednak związki te są niebezpieczne dla zwierząt, dlatego ważna jest kontrola ich występowania w środowisku naturalnym. Aby sprawdzić, jaką ilość związków arsenu zawiera badany materiał organiczny, pobrane próbki spala się, co umożliwia przemianę obecnych w próbce związków arsenu w tlenek arsenu(V). Tak otrzymaną suchą pozostałość poddaje się działaniu rozcieńczonego kwasu solnego, dzięki czemu tlenek arsenu(V) w reakcji z wodą przekształca się w rozpuszczalny w wodzie kwas ortoarsenowy(V) H₃AsO₄. Następnie należy zredukować otrzymany kwas ortoarsenowy(V) do kwasu ortoarsenowego(III) za pomocą chlorku cyny(II) w obecności katalizatora. Po dodaniu metalicznego cynku do roztworu zawierającego kwas ortofosforowy(III) arsen oddziela się od reszty składników w postaci AsH₃, który jest gazem.

Na podstawie: D.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler, S.R. Crouch, Podstawy chemii analitycznej, t. 1, Warszawa 2006, s. 12–14.

Redukcja kwasu ortoarsenowego(V) chlorkiem cyny(II) przebiega zgodnie ze schematem:

H₃AsO₄ + Sn²⁺ + H⁺ ^katalizator H₃AsO₃ + Sn⁴⁺ + H₂O

a)	Napisz w formie jonowej z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy) równanie procesu redukcji i równanie

procesu utleniania zachodzących podczas reakcji kwasu ortoarsenowego(V) z chlorkiem cyny(II).

b)	Dobierz współczynniki w równaniu reakcji kwasu ortoarsenowego(V) z chlorkiem cyny(II).

H₃AsO₄ + Sn²⁺ + H⁺ ^katalizator H₃AsO₃ + Sn⁴⁺ + H₂O

Rozwiązanie

(0-1)

Równanie procesu utleniania:
Sn²⁺ → Sn⁴⁺ + 2e⁻ │· 1

Równanie procesu redukcji:
H₃AsO₄ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₃AsO₃ + H₂O │· 1

(0-1)

H₃AsO₄ + Sn²⁺ + 2H⁺ ^katalizator H₃AsO₃ + Sn⁴⁺ + H₂O

Wskazówki

Rozwiązanie zadania należy rozpocząć od wyznaczenia stopni utlenienia atomów poszczególnych pierwiastków w drobinach chemicznych substratów i produktów reakcji, co ułatwia, zawarta w nazwach kwasów arsenowych, informacja o stopniach utlenienia arsenu: w cząsteczkach kwasu ortoarsenowego(III) atomy arsenu przyjmują stopień utlenienia III, a w cząsteczkach kwasu ortoarsenowego(V) – stopień utlenienia V. Trzeba pamiętać także, że w przypadku typowych związków (a z takimi mamy do czynienia w tej reakcji) wodór występuje na I stopniu utlenienia, a tlen na –II stopniu utlenienia. Stopień utlenienia cyny jest podany wprost, ponieważ drobiny chemiczne, w postaci których pierwiastek ten występuje w opisanej reakcji, to kationy proste: Sn²⁺ i Sn⁴⁺ (to samo dotyczy wodoru w postaci kationów wodorowych H⁺), a wiec przed reakcją cyna występuje na II stopniu utlenienia, a w wyniku reakcji przechodzi na IV stopień utlenienia. W ten sposób mamy określone wszystkie stopnie utlenienia:

^I_H_₃^V_As^−II_O_₄ + Sn²⁺ + H⁺ ^katalizator ^I_H_₃^III_As^−II_O_₃ + Sn⁴⁺ + ^I_H_₂^−II_O

Widzimy, że stopień utlenienia zmieniają atomy dwóch pierwiastków: arsenu i cyny. Stopień utlenienia arsenu zmienia się z V w kwasie ortoarsenowym(V) na III w kwasie ortoarsenowym(III), a cyny – z II w jonach Sn²⁺ na IV w jonach Sn⁴⁺. Wynika z tego, że w czasie reakcji stopień utlenienia arsenu zmniejsza się, arsen w kwasie ortoarsenowym(V) jest więc utleniaczem, a stopień utlenienia cyny zwiększa się, co oznacza, że kationy cyny(II) pełnią funkcję reduktora. Wiemy, że procesowi utlenienia ulega reduktor, który oddaje elektrony, a procesowi redukcji – utleniacz, który przyłącza elektrony. Ponieważ stopień utlenienia reduktora, czyli jonów Sn²⁺, wzrasta o 2, równanie procesu utleniania będzie miało następującą postać: Sn²⁺ → Sn⁴⁺ + 2e⁻ .

Stopień utlenienia utleniacza, czyli atomów arsenu w cząsteczkach H₃AsO₄, maleje także o 2, możemy więc napisać, że H₃AsO₄ + 2e⁻ → H₃AsO₃, ale zapis ten nie jest jeszcze równaniem reakcji, ponieważ liczba atomów tlenu (na –II stopniu utlenienia) po lewej stronie nie jest równa liczbie atomów tego pierwiastka po prawej stronie. Widzimy, że w środowisku reakcji obecne są jony H⁺, które w połączeniu z atomami tlenu na –II stopniu utlenienia tworzą cząsteczki wody będącej produktem ubocznym reakcji. Aby liczba atomów tlenu była taka sama po obu stronach równania, trzeba przyjąć, że powstaje jedna cząsteczka wody, do czego potrzebne są 2 jony H⁺:
^−II_O + 2H⁺→ ^I_H_₂^−II_O.
Łącząc ten zapis z zapisem ilustrującym zmiany stopnia utlenienia arsenu, otrzymujemy następujące równanie procesu redukcji:

H₃AsO₄ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₃AsO₃ + H₂O .

W ten sposób uzyskujemy odpowiedź do części a) zadania.

W części b) wykorzystamy to, co zrobiliśmy w części a), pamiętając, że podstawą bilansu równań reakcji redoks jest bilans elektronowy: liczba elektronów oddanych musi być równa liczbie elektronów pobranych. W przypadku rozpatrywanej reakcji liczba ta wynosi 2, z czego wynika, że stosunek liczby moli reduktora do utleniacza jest równy 1:1, a więc możemy zsumować stronami równania procesów utleniania i redukcji, otrzymując następujący zapis:

H₃AsO₄ + 2H⁺ + 2e⁻ + Sn²⁺ → H₃AsO₃ + H₂O + Sn⁴⁺ + 2e⁻,

co pozwala nam uzupełnić współczynniki w podanym w zadaniu schemacie równania reakcji:

H₃AsO₄ + Sn²⁺ + 2H⁺ ^katalizator H₃AsO₃ + Sn⁴⁺ + H₂O