SUGESTII PENTRU STABILIREA NUMERELOR DE OXIDARE (N.O)

* Nu mă pot aștepta, să te convingi de un lucru, de care eu nu sunt convinsă!*

☺Există la ora actuală, multă informație despre numărul de oxidare (N.O). În acest material prezint exerciții rezolvate, pentru calcularea N.O, la unii reactivi chimici din analiza volumetrică, cu ajutorul desenelor, pentru structura atomului și a ionul său. 

Am găsit o definiție dată N.O. și anume: un număr de oxidare este sarcina electrică atribuită  fiecărui element din combinația sa chimică ionică și covalentă, presupunând că sunt formate  numai din ioni și electronii de legătură sunt atrași mai mult de partenerul electronegativ, din combinația chimică. Numărul de oxidare se notează cu un număr pozitiv, negativ sau 0, care se scrie în partea dreaptă sus, a elementului, și este stabilit pe baza unor reguli. Numărul de oxidare explică mai bine față de valență, capacitatea de combinare a unui element, prin numărul maxim sau minim de electroni, pe care  îi cedează sau îi acceptă, într-o reacție chimică, pentru a-și  forma configurație stabilă de octet, respectiv dublet.
Pentru înțelegerea termenilor din reacțiile de oxido-reducere, trebuie să înțelegi prima dată: legătura dintre sistemul periodic ale elementelor și proprietățile elementului, termenii de reacție chimică, ecuație chimică, reactant, produs de reacție, ce este un ion, calcule algebrice cu numere negative și numere pozitive. Să nu uităm să ne răspundem la întrebarea:* -La ce mă ajută, aceste noțiuni?*

EXERCIȚII REZOLVATE

☺ Ex. 1.Numerele de oxidare la Hidrogen, reactiv HCl, H₂O₂

Ex.2 Stabiliți coeficienții reacției redox:
☺
?H₂O₂ + ?KClO  = ?KCl  + ?H₂O  + ?O₂↑

Se aplică etapele de stabilire coeficienți la o reacție redox,  învățate la Chimie și anume:
►se scriu N.O la toate elementele și se subliniază elementele care-și modică N.O. Se cunosc regulile de stabilire N.O. Oxigenul și clorul își modifică numerele de oxidare în reacție.
REACTANȚI                  PRODUȘI DE REACȚIE
H⁺₂O₂^– + K⁺ Cl⁺ O^2-  = K⁺ Cl^–  + H⁺₂ O^2-  + O₂⁰

►se  observă că: un ion  O^– cu N.O=-1 , din H₂O₂ trece în atomul O⁰ cu N.O.=0, prin cedare de 1 e -; fiindcă avem 2 ioni de O^– și se formează o moleculă de O₂, se vor ceda 2 e^–, unui ion Cl⁺. Procesul se numește oxidare (dare de electroni).
►se observă că un ion de Cl⁺ cu N.O=+1 din KClO trece în ionul Cl^1- din KCl,  cu N.O=-1 prin acceptare de un electron, de la un ion O^-1. Procesul se numește reducere (cerere de electroni).
►se scriu cele două procese de reducere și oxidare și se adună algebric, respectând legea conservării numărului de electroni:
n e^– acceptați = n e-  cedați. 
Cl⁺  + 2e-  = Cl^–   reducere
ag.red           ag.ox
2O^– – 2e^–   =O⁰₂           oxidare
ag.ox       ag. red
∑: ecuație de reducere + ecuație de oxidare=
Cl⁺ +2 e^– +2O^– -2e^– = Cl^– +O⁰₂
Rezultă coeficienții ecuației date: 1 pentru Cl⁺ din KClO și 1 pentru H₂ O₂^–,
Axa numerelor pozitive și negative
…………………..-2…☺-1.►…...0…☺...+1……☺+2……………………………………………….
                               O^–→O⁰ /oxidare, cedează 1 e(-);N.O crește de la -1 la 0, cu 1
                           Cl- ←Cl⁰←Cl⁺/reducere, N.O scade de la +1la -1, cu 2.
 R: Ecuația reacției chimice corecte este:
 H₂O₂ + KClO  = KCl  + H₂O  + O₂↑

Ex. 3.Stabiliți coeficienți acestei reacții: ☺
? C  + ?H₂   S O₄ = ? C O₂ + ? S O₂ + ? H₂  O
Corect:
C  + 2 H₂ S O₄ = CO₂ + 2 SO₂ + 2 H₂  O
Rezolvare
►se scriu N.O la toate elementele și se subliniază elementele, care-și modică N.O. Se cunosc regulile de stabilire N.O. Sulful și carbonul își modifică numerele de oxidare în reacție.
REACTANȚI                  PRODUȘI DE REACȚIE
? C⁰  + ?H₂ ⁺  S⁶⁺ O₄^2- = ? C⁴⁺ O₂^2- + ? S⁴⁺ O₂^2- + ? H₂ ⁺ O^2-
►se  observă: un atom de C cu N.O=0 , din C trece în ionul C⁴⁺ cu N.O.=+4, prin cedare de 4 e-. Procesul se numește oxidare (dare de electroni).
►se observă că un ion de S⁶⁺ cu N.O=+6 din H₂SO₄ trece în ionul S ⁴⁺ din SO₂,  cu N.O=+4 prin acceptare de doi electroni, de la un atom de C, dar C cedează 4 e^– și  atunci trebuie să fie 2 ioni de S⁶⁺ pentru a-i primi (fiecare primește câte 2). Procesul se numește reducere (cerere de electroni).
►se scriu cele două procese de reducere și oxidare (semireacții) și se adună algebric, respectând legea conservării numărului de electroni:
n e^– acceptați = n e-  cedați. 
C⁰  –   4e-  = C⁴⁺   oxidare
ag.ox           ag.red
S⁶⁺  + 2e^–   = S⁴⁺   reducere /.2
ag.red.       ag. ox
∑:  ecuație de reducere + ecuație de oxidare=
C⁰ -4 e^–+2S⁶⁺ 2.2 e^–=C⁴⁺ +  2S⁴⁺
Rezultă coeficienții ecuației date: 1 pentru C și 2 pentru S⁶⁺ din H₂SO₄, 1 pentru C⁴⁺ din CO și 2 pentru S⁴⁺ din SO₂.

☺Exercițiul  4 .Acidul azotic este un oxidant important. În reacția cu metalele el reacționează diferit în funcție de natura metalului și de concentrația soluției acide. La următoarele procese chimice, stabiliți coeficienții stoechiometrici:
(Bibliografie: V. Sohoran, Probleme de chimie)

1. ? Ca +? HNO₃ (diluat)= ? Ca(NO)₃ +? H₂↑
2. ?Hg +? HNO₃ = ? Hg(NO₃)₂ +? NO₂ + ? H₂O
3. ?Cu +? HNO₃ =? Cu(NO₃)₂ + ? NO + ? H₂O
4. ?Ni + ? HNO₃ ^fierbere= ?Ni (NO₃)₂ + ?NO + ?H₂O
5. ?Zn + ?HNO₃ (30%) = ?Zn (NO₃)₂ +?N₂O + ?H₂O
6. ? Zn + ?HNO₃ (soluție diluată) = ?Zn (NO₃)₂ + ?NH₄NO₃ +?H₂O
7. ?Co + ?HNO₃ (soluție foarte diluată) =?Co (NO₃)₂ + ?N₂ + ?H₂O
8. ? C + ? HNO₃ (concentrat, peste 60%) ^{la cald}= ? NO +? CO₂ + ? H₂O
9. ? S+ ? HNO₃(concentrat, la cald) =? NO + ? H₂SO₄
10. ? P + ? HNO₃ (concentrat, la cald) + H₂O= ? NO +? H₃PO₄
11. ? Ag + ? HNO₃ concentrat, la cald= ? AgNO₃ +? NO + ? H₂O
12. ?Au + HNO₃+3 HCl = ? AuCl₃ + ? NO+ ? H₂O
13. ?MnSO₄ + ?PbO₂ + ?HNO₃ = ?HMnO₄ +? Pb(NO₃)₂ + ?PbSO₄ +? H₂O
14. ?HNO₃ (soluție) sub acțiunea luminii, la aer = ?NO₂↑ + ? H₂O +?O₂

Rezolvarea propusă la exercițiul 4.1.

☺Rezolvarea propusă la exercițiul 4.3

?Cu⁰ +? H⁺ N⁺⁵ O^-2 ₃ =?  Cu⁺² (N⁺⁵ O^-2 ₃)₂ + ? N⁺² O^-2 + ? H⁺₂O^-2
Parcurgem etapele  de stabilire coeficienți la o reacție redox,  învățate la Chimie, respectiv Chimie Analitică.
►Elementele care își modifică N.O. sunt Cu și N.
►Scriem reacțiile chimice, prin care atomul de Cu trece în ion de Cu(II) și ionul de N(+5) trece în ion de N(+2). Aceste reacții se numesc semireacții în reacția redox, de mai sus.
Cu⁰        – 2 e^– (unul din 4s¹ și unul din 3d¹⁰) → Cu²⁺   OXIDARE, / x 3
Ag. red 1                                                        Ag.ox 1
N.O. al Cu crește în procesul de oxidare, de la 0 la +2!
N⁺⁵       + 3 e^– (primește de la 2 atomi de Cu) → N⁺²  REDUCERE/x2
Ag.ox.2                                                           Ag. red.2  
 N.O. al ionului N scade în procesul de reducere, de la +5 la +2.
► Egalăm numărul de electroni cedați și primiți (bilanțul de electroni), prin înmulțire cu cifrele 3 (la Cu) și 2 (la N) și apoi vom aduna aceste semireacții. Rezultă:
3Cu⁰ -3.2e^– +2N⁺⁵+2.3e^– → 3Cu⁺² + 2N⁺²
Coeficienții stoechiometrici sunt: 3 la Cu și 3 la ionul Cu(+2) și 2 la ionul N(+5) și 2 la ionul N(+2).
►Introducem coeficienții de mai sus în reacția totală și egalăm restul numărului de atomi de: H, O. Înțelegem că intră un număr mai mare de ioni N(+5), față de 2, fiindcă o parte din el trece în Cu(NO₃)_2.
REACTANȚI                         PRODUȘI DE REACȚIE
3Cu⁰ + 8H⁺ N⁺⁵ O^-2 ₃ = 3Cu⁺² (N⁺⁵ O^-2 ₃)₂ +  2N⁺² O^-2 + 4 H⁺₂O^-2
red1         ox2

♣ Tabel cu bilanțul numărului de atomi, ioni

Nume atomi, ioni	Număr de atomi reactanți	Număr de atomi, ion,produși de reacție
Cu	3 atom	3ion (+2)
N	8 ioni N(+5)	8, din care 2 sunt ioni N(+2)
H (+)	8	8
O (-2)	24	24

Schema

PROBLEME SIMPLE DESPRE CĂLDURA DE DIZOLVARE A SUBSTANȚELOR

Căldura  de dizolvare este căldura degajată sau absorbită la dizolvarea unui mol de solut într-o cantitate dată de solvent( un număr de moli de apă), pentru obținerea unei soluții de concentrație prestabilită.
La presiune constantă, căldura molară de dizolvare se numește entalpie molară de dizolvare,
∆ H dizolvare, cu unitatea de măsură:(kJ/mol, kcal/mol). Se măsoară o variație a cantității de energie a sistemului prin căldura schimbată cu mediul exterior la presiune constantă.
Convenția de semn pentru variația de entalpie molară de dizolvare și căldura de dizolvare(Q) este:
Q/n moli solut = -∆H (kJ)
Căldura de dizolvare se măsoară cu ajutorul calorimetrului.
Relația matematică pentru calcularea căldurii de dizolvare este:
Q=m.c.∆t
Unde:
Q=cantitatea de căldură degajată (kJ)
M=masa soluției din calorimetru (g)
C=capacitatea calorică a sistemului format din calorimetru și din soluția de NaOH. (J/g.grad)
C=c_s(capacitatea calorică a soluției)+c_c (capacitatea calorică a calorimetrului)
∆t=variația de temperatură, în timpul dizolvării. Este diferența de temperatură dintre temperatura finală(t_f) și temperatura inițială(t_i).
 Tabel 1, Călduri de dizolvare, kcal/mol de solut, în apă la 25 ⁰C

Substanța	Număr de  moli H2O	Entalpia de dizolvare ∆H0298 Kcal/mol
HCl	200	-17,74
CuSO4	800	-16,43
CuSO4 . 5H2O	795	+2,42
NH4NO3	200	+6,08

                    Din aceste exemple, deducem că sărurile hidratate și sărurile, care nu formează hidrați stabili au călduri de dizolvare pozitive, adică consumă căldură din dizolvare. Acizii care se combină cu apa, bazele și sărurile anhidre, care formează hidrați au călduri de dizolvare negative, adică se degajă căldură la dizolvare.
Procesul de dizolvare este influențat de următoarele interacțiuni:
-ruperea legăturilor chimice dintre particulele substanței dizolvate, care are loc cu absorbție de căldură, ∆H1, proces endoterm
– ruperea legăturilor chimice dintre particulele solventului, care are loc cu absorbție de căldură, ∆H2, proces endoterm
-interacțiuni între particulele de solvat-solvent, care are loc cu degajare de căldură, ∆H3, proces exoterm . Formarea de legături slabe între moleculele solvatului și ale solutului se numește solvatare.  Dacă solventul este apa, se numește hidratare.
Rezultă:
Căldura de dizolvare ∆H este suma:
∆H = ∆H1+∆H2+∆H3
Dizolvarea este în concluzie, un proces care are loc, din cauza formării de legături slabe între moleculele de solut și moleculele de solvent.

Exercițiul 1 Cuvinte cheie: căldura de dizolvare la KOH, Dizolvare exotermă
Într-un calorimetru ce conține 50 g de apă distilată la temperatura de 20 ⁰C se adaugă 2,8 g de KOH și se obține o soluție de o anumită concentrație procentuală. Temperatura crește la 23 ⁰C. a)Calculați căldura molară de dizolvare a KOH (∆H (kJ/mol). Căldura specifică a soluției este 1 cal/g.grad (4,184 J/g.grad). Se neglijează capacitatea calorică a calorimetrului. b) Concentrația procentuală a soluției de KOH din calorimetru.
 
Rezolvare

Ce trebuie să știm?

Relațiile matematice, pentru calcularea căldurii degajate la dizolvare, respectiv pentru calcularea  entalpiei molare de dizolvare a KOH sunt:
►Cantitatea de căldură Q, se calculează cu relația matematică:
Q=m. c. ∆t
m=masa soluției (g)
c soluție=căldura specifică a soluției; 1 cal/g.grad =4,18 J/g.grad
∆t= variația de temperatură =t final-t inițial
► Entalpia molară de dizolvare ∆H dizolvare KOH se calculează cu relația:
∆H dizolvare KOH= –Q/ n moli KOH (J/mol)

Fig.1 Dizolvarea  exotermă  a KOH în apă
Necunoscutele în această problemă sunt:

1. -masa soluției de KOH din calorimetru
2. -n moli KOH
3. -Q soluție (Q calorimetru)
4. -∆H dizolvare KOH
5. -concentrația procentuală de masă a soluției de KOH din calorimetru (c%)

 Calcule

1.Masa soluției de KOH din calorimetru (ms)=?

ms= m apă +m KOH=50g+2,8 g de KOH=52,8 g soluție KOH

2. Numărul de moli de KOH=?

n moli = masa KOH (g)/ M KOH g/mol
n moli = 2,8g/56 g/mol=0,05 moli

3. Q soluție=m soluție. c soluție. ∆t

Q soluție=52,8 g.4,184 J/g.grad.(23-20) grade C=662,75 J

4. ∆H-= – Q/n moli

∆H=- 662,75 J/0,05moli=13254, 9J/mol=1,325 kJ/mol

5. C% = md KOH.100/ms = 2,8g.100%/ 52,8 g=5,30%

R: 1,325 kJ/mol, 5,30%

Exercițiul 2  Cuvinte cheie: căldura de dizolvare a glucozei, dizolvare endotermă.
a)Să se calculeze efectul termic (căldura de dizolvare, kcal)) produs prin dizolvarea la 15 ⁰C, a 1,8 g de glucoză (C₆H₁₂O₆) în apă, știind că se obține o soluție cu concentrația de 9,10%.b) să se calculeze temperatura finală a soluției rezultate, dacă căldura ei specifică este 1 cal/g.grad. Se neglijează căldura specifică a calorimetrului.

Rezolvare

Ce trebuie să știm?
Relația  matematică dintre căldura de dizolvare (Q) și căldura molară de dizolvare (∆H diz, kcal/mol) a unui mol de C₆H₁₂O₆ :
Q=-n. ∆H diz = m soluție (g). căldura specifică soluție (cal/g.grad). ∆t (grade C)
∆t= t final-inițial

Date cunoscute și necunoscute:
-Substanța dizolvată=glucoza; masa dizolvată de glucoză=1,8 g
-Solvent=apa; masa apă =?=X (g)
-Soluția formată=soluție de glucoză →concentrație procentuală=9,10% C₆H₁₂O₆
                                                         →procentul de apă din soluție=100%-9,10% C₆H₁₂O₆
                                                        →masa soluției=?=Y (g)
-Masa soluției (g)= md C₆H₁₂O₆ + m apă
-Concentrația procentuală a soluției de glucoză este:
-C%= md C₆H₁₂O₆.100%/ m soluție
-Căldura molară de dizolvare la glucoză se ia din tabele și este:
-∆H dizolvare C₆H₁₂O₆ pentru raportul molar: 1mol glucoză la  100 moli apă, la 15 grade C=+2,25 kcal/mol, dizolvarea glucozei este endotermă.  
-Temperatura inițială, este temperatura apei (t in)=15  ⁰C
-Temperatura finală, după terminarea procesului de dizolvare a glucozei=tf=?
-Căldura specifică a soluției de glucoză de 9,10%=1 cal/g.grad
-Masa moleculară C₆H₁₂O₆=180 g/mol
-Masa moleculară la H₂O=1 cal/g.grad
-Cantitatea de căldură absorbită din mediul exterior la dizolvarea C₆H₁₂O₆=Q=?

Etape de calcul          ◊◊◊
♠1)Verificăm dacă în soluția cu 1,8 g de C₆H₁₂O₆ și concentrația procentuală 9,10% de C₆H₁₂O₆, există raportul molar 1 mol C₆H₁₂O₆:100 moli H₂O  →♠ 2) Dacă da, utilizăm ∆H dizolvare =+2,25 kcal/mol pentru a calcula Q →♠ 3) din relația de calcul Q, cunoscând m soluție, c soluție,  t in, vom calculăm t fin (grade C).

Calcule:

1.Raportul molar din soluția dată de glucoză:

Dacă 9,10% C₆H₁₂O₆…………….corespunde ………….la… 90,9 % H₂O
Atunci 1,8 g C₆H₁₂O₆…………….corespund…………..la X(g) H₂O
X=1,8g.90,9%/9,10%=17,98 g H₂O aprox.18 g
N moli C₆H₁₂O₆ = 1,8 g/180 g/mol=0,01 moli
N moli H₂O  = 17,98 g/18 g/mol=aprox.1 mol
Raportul molar: moli  C₆H₁₂O₆ : moli H₂O= 0,01: 1/ : 0,01
Rezultă: 1:100. Putem folosi valoarea căldurii molare de dizolvare din tabel, +2,25 kcal/mol

2.Calculăm căldura de dizolvare Q a glucozei cu relația:

Q=- n  moli C₆H₁₂O₆. ∆H dizolvare
Q=-(0,01 moli.(+2,25 kcal/mol)= -0,0225 kcal

3.Calculăm temperatura finală, t fin, din relația:

Q= m soluție. c soluție .∆t,     ∆t=t fin-t in
m soluție =Y=1,8 g de C₆H₁₂O₆ + 18 g de H₂O=19,8 g soluție
Rezultă:
Q=-0,0225.1000 cal=19,8 g .1 cal/g.grad .∆t
∆t=-22,5 grad / 19,8=-1,136, aprox.-1,14 grade C
∆t=-1,14 grade C=t fin-15 grade C
t fin = 15 grade C-1,14 grade C=13,86 grade C

R: Q=-22,5 cal; t fin=13,86 grade C.