ЕГЭ химия: молекулярные уравнения реакций

Реакция концентрированной соляной кислоты с перманганатом калия produces хлорный газ, который затем реагирует с карбонатом калия с образованием хлората калия. Кристаллы хлората калия далее вступают в реакцию с красным фосфором, продукты которой при растворении в воде дают кислую среду.

Содержание

• Анализ последовательности реакций
• Молекулярные уравнения четырех реакций
• Ответы на дополнительные вопросы
• Заключение

Анализ последовательности реакций

Первая реакция: Действие концентрированной HCl на KMnO4

При взаимодействии концентрированной соляной кислоты с твердым перманганатом калия происходит реакция окисления-восстановления, в результате которой образуется хлорный газ. Это классическая реакция получения хлора в лабораторных условиях.

Механизм реакции: Пермanganate калия (KMnO4) в кислой среде выступает в роли сильного окислителя, окисляя хлорид-ионы (Cl-) до хлора (Cl2).

Вторая реакция: Пропускание Cl2 через раствор K2CO3

Хлорный газ, проходящий через горячий концентрированный раствор карбоната калия, подвергается дисропорционации в щелочной среде. В этих условиях хлор одновременно окисляется и восстанавливается, образуя хлорид-ионы и хлорат-ионы.

Третья реакция: Взаимодействие KClO3 с красным фосфором

Кристаллы хлората калия при нагревании с красным фосфором вступают в сложную реакцию, в ходе которой образуются фосфорсодержащие соединения. При растворении этих продуктов в воде наблюдается образование кислой среды, что указывает на присутствие кислотных компонентов.

Молекулярные уравнения четырех реакций

1. Реакция получения хлора из HCl и KMnO4

$$2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2KCl + 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 8H_2O$$

В этой реакции перманганат калия окисляет соляную кислоту с образованием хлорного газа. Кислота используется в концентрированном виде, так как разбавленная кислота может привести к образованию других продуктов.

---

2. Реакция хлора с карбонатом калия

$$3Cl_2 + 3K_2CO_3 \rightarrow 5KCl + KClO_3 + 3CO_2$$

Эта реакция представляет собой классический пример дисропорционирования хлора в щелочной среде. Хлор одновременно окисляется до хлорат-ионов (ClO3-) и восстанавливается до хлорид-ионов (Cl-). Выделяющийся газ - диоксид углерода (CO2).

Важно: Реакция протекает при нагревании, так как при комнатной температуре скорость реакции мала, а основной продукт может быть другим (гипохлорит вместо хлората).

---

3. Реакция хлората калия с красным фосфором

$$KClO_3 + 2P \rightarrow KCl + P_2O_5$$

$$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$$

Общая реакция с учетом гидролиза:

$$KClO_3 + 2P + 3H_2O \rightarrow KCl + 2H_3PO_4$$

При растворении продуктов реакции в воде образуется фосфорная кислота, придающая раствору кислую среду.

---

4. Растворение продуктов в воде (образование кислой среды)

$$H_3PO_4 \rightarrow H^+ + H_2PO_4^-$$

$$KCl \rightarrow K^+ + Cl^-$$

Раствор содержит ионы водорода, что подтверждает кислую среду. Фосфорная кислота (H3PO4) является трехосновной кислотой и легко диссоциирует в водном растворе.

---

Ответы на дополнительные вопросы

Как понять, что в продуктах второй реакции образуется KClO3, а не другие возможные соединения?

Логическое объяснение:

1. Температурный фактор: При комнатной температуре хлор в щелочном растворе образует в основном гипохлорит (KClO):

   $$Cl_2 + 2KOH \rightarrow KCl + KClO + H_2O$$

2. Температурная зависимость: При нагревании (горячий раствор) гипохлорит неустойчив и disproportionate до хлорида и хлората:

   $$3KClO \rightarrow 2KCl + KClO_3$$

3. Экспериментальное подтверждение: При охлаждении раствора из него выделяются кристаллы - это характерно для хлората калия, который имеет хорошую растворимость при нагревании и кристаллизуется при охлаждении.

4. Физические свойства: Хлорат калия (KClO3) образует характерные кристаллы, которые легко отфильтровываются и высушиваются на воздухе, что соответствует описанию в задании.

Нужно ли запоминать вторую реакцию или можно ее логически объяснить?

Логическое объяснение без заучивания:

1. Принцип дисропорционирования: Хлор в соединениях имеет степень окисления -1, в Cl2 - 0, в ClO3- +5. В щелочной среде хлор может одновременно окисляться и восстанавливаться.

2. Энергетический фактор: В щелочной среде при нагревании наиболее термодинамически устойчивым продуктом является хлорат, а не гипохлорит.

3. Стехиометрическое соотношение: Из трех атомов хлора два восстанавливаются до Cl- (-1), а один окисляется до ClO3- (+5), что соответствует балансу электронов.

Запоминать не обязательно, если понимать механизм дисропорционирования!

Как использовать физические свойства веществ для определения правильного продукта реакции?

Ключевые физические свойства:

1. Растворимость хлората калия:

   • При 20°C: ~7% масс.
   • При 100°C: ~57% масс.
   • Это объясняет, почему кристаллы выделяются при охлаждении горячего раствора.

2. Теплота образования:

   • KClO3 более стабилен при нагревании, чем KClO
   • Это термодинамически обосновывает образование хлората в горячем растворе

3. Кристаллическая структура:

   • KClO3 образует характерные игольчатые кристаллы
   • Это позволяет легко идентифицировать соединение при фильтровании

4. Стабильность на воздухе:

   • KClO3 стабилен на воздухе при комнатной температуре
   • Это объясняет, почему его можно высушивать на воздухе без разложения

Практический метод определения: Изменение растворимости при нагревании и охлаждении - ключевой физический фактор, подтверждающий образование именно хлората калия, а не других возможных продуктов.

Заключение

1. Первая реакция - классический лабораторный метод получения хлора через окисление соляной кислоты перманганатом калия.

2. Вторая реакция демонстрирует дисропорционирование хлора в щелочной среде при нагревании, что приводит к образованию хлората калия.

3. Третья реакция показывает восстановление хлората фосфором с образованием фосфорной кислоты при гидролизе.

4. Четвертая стадия подтверждает кислую среду за счет диссоциации фосфорной кислоты.

Понимание физико-химических свойств реагентов и продуктов позволяет логически объяснить каждую стадию процесса без механического заучивания уравнений.

Источники

1. Неорганическая химия: Реакции дисропорционирования галогенов
2. Справочник по растворимости неорганических веществ
3. Методы получения хлора в лабораторных условиях
4. Термодинамическая稳定性 хлоратов и гипохлоритов