Готовимся к олимпиадам, страница 268 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

1. В сложном веществе, состоящем из атомов калия, железа и кислорода, массовые доли K и Fe равны соответственно 39,39 % и 28,28 %. Определите степень окисления атомов железа в этом веществе. Является ли оно химически устойчивым? Какие свойства — восстановительные или окислительные — наиболее характерны для этого вещества?

Дано:

Сложное вещество, состоящее из K, Fe, O

$w(K) = 39,39 \% = 0,3939$

$w(Fe) = 28,28 \% = 0,2828$

Найти:

1. Степень окисления атомов железа в веществе.

2. Является ли вещество химически устойчивым.

3. Какие свойства (восстановительные или окислительные) наиболее характерны для вещества.

Решение:

Определение химической формулы вещества

Сначала определим простейшую химическую формулу вещества, имеющего общий вид $K_xFe_yO_z$.

1. Найдем массовую долю кислорода в веществе:

$w(O) = 100\% - w(K) - w(Fe) = 100\% - 39,39\% - 28,28\% = 32,33\%$

2. Для нахождения индексов $x, y, z$ предположим, что у нас есть 100 г вещества. Тогда массы элементов в этом образце будут равны их массовым долям в граммах:

$m(K) = 39,39$ г

$m(Fe) = 28,28$ г

$m(O) = 32,33$ г

3. Найдем количество вещества (число молей) для каждого элемента, разделив их массы на молярные массы ($M(K) \approx 39,1$ г/моль, $M(Fe) \approx 55,85$ г/моль, $M(O) = 16,0$ г/моль):

$n(K) = \frac{m(K)}{M(K)} = \frac{39,39 \text{ г}}{39,1 \text{ г/моль}} \approx 1,007$ моль

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{28,28 \text{ г}}{55,85 \text{ г/моль}} \approx 0,506$ моль

$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{32,33 \text{ г}}{16,0 \text{ г/моль}} \approx 2,021$ моль

4. Найдем соотношение индексов в формуле, которое равно соотношению количеств веществ. Для этого разделим все полученные значения на наименьшее из них (0,506):

$x : y : z = n(K) : n(Fe) : n(O) \approx 1,007 : 0,506 : 2,021$

$x : y : z \approx \frac{1,007}{0,506} : \frac{0,506}{0,506} : \frac{2,021}{0,506}$

$x : y : z \approx 1,99 : 1 : 3,99$

Округляя до целых чисел, получаем соотношение $2 : 1 : 4$.

Следовательно, простейшая формула вещества — $K_2FeO_4$. Это соединение называется феррат калия.

Определение степени окисления атомов железа

В соединении $K_2FeO_4$ калий (щелочной металл) всегда имеет степень окисления +1, а кислород, как правило, -2. Обозначим степень окисления железа через $\text{x}$. Поскольку молекула электронейтральна, сумма степеней окисления всех атомов в ней равна нулю:

$2 \cdot (+1) + 1 \cdot (x) + 4 \cdot (-2) = 0$

$2 + x - 8 = 0$

$x = +6$

Таким образом, степень окисления железа в этом веществе равна +6.

Является ли оно химически устойчивым?

Степень окисления +6 является высшей и нехарактерной для железа. Соединения, в которых элементы находятся в высшей степени окисления, как правило, являются сильными окислителями и химически неустойчивы. Феррат калия ($K_2FeO_4$) устойчив в сухом виде и в сильнощелочных растворах, но легко разлагается в присутствии воды (особенно в кислой или нейтральной среде), а также при нагревании. Реакция с водой приводит к выделению кислорода:

$4K_2FeO_4 + 4H_2O \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8KOH + 3O_2 \uparrow$

Следовательно, данное вещество нельзя считать химически устойчивым.

Какие свойства — восстановительные или окислительные — наиболее характерны для этого вещества?

Поскольку железо находится в своей высшей степени окисления +6, оно может только принимать электроны, то есть восстанавливаться до более низких степеней окисления (например, +3). Вещества, атомы которых в ходе реакции понижают свою степень окисления, проявляют окислительные свойства. Из-за очень высокой и нестабильной степени окисления железа феррат калия является очень сильным окислителем. Восстановительные свойства для него нехарактерны.

Ответ: Степень окисления атомов железа в этом веществе равна +6. Вещество (феррат калия, $K_2FeO_4$) является химически неустойчивым. Для этого вещества наиболее характерны сильные окислительные свойства.