Номер 12, страница 239 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

9.12. Составьте электронный баланс для уравнений:

$\mathrm{а}) 2{\mathrm{КМnО}}_4+5{\mathrm{Н}}_2{\mathrm{О}}_2+3{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4=$ $2{\mathrm{MnSO}}_4+{\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4+5{\mathrm{О}}_2+8{\mathrm{Н}}_2\mathrm{О}$

$\mathrm{б}) 2{\mathrm{КМnО}}_4+7{\mathrm{Н}}_2{\mathrm{О}}_2+3{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4=$ $2{\mathrm{MnSO}}_4+{\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4+6{\mathrm{О}}_9+10{\mathrm{Н}}_2\mathrm{О}$

Объясните различие в расстановке коэффициентов.

а) 2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5O₂ + 8H₂O

Решение

1. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции.

• В перманганате калия ($K\stackrel{+1}{Mn}\stackrel{+7}{O_4}\stackrel{-2}{}$) марганец имеет степень окисления +7.
• В пероксиде водорода ($H_2\stackrel{+1}{O_2}\stackrel{-1}{}$) кислород имеет степень окисления -1.
• В сульфате марганца ($Mn\stackrel{+2}{S}\stackrel{+6}{O_4}\stackrel{-2}{}$) марганец имеет степень окисления +2.
• В молекулярном кислороде ($O_2\stackrel{0}{}$) кислород имеет степень окисления 0.

2. Составим полуреакции окисления и восстановления.
$Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$ (процесс восстановления)
$2O^{-1} - 2e^- \rightarrow O_2^0$ (процесс окисления)

3. Найдем наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (2 и 5), оно равно 10. Домножим полуреакции на соответствующие коэффициенты, чтобы уравнять число электронов.

4. Суммируем полуреакции:
$2Mn^{+7} + 10O^{-1} \rightarrow 2Mn^{+2} + 5O_2^0$

5. Переносим коэффициенты в исходное уравнение: 2 перед $KMnO_4$ и $MnSO_4$; 5 перед $H_2O_2$ и $O_2$.
$2KMnO_4 + 5H_2O_2 + H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 5O_2 + H_2O$

6. Уравниваем остальные элементы:

• Калий (K): слева 2 атома, значит, справа ставим коэффициент 1 перед $K_2SO_4$.
• Сера (S): справа $2 + 1 = 3$ атома, значит, слева ставим коэффициент 3 перед $H_2SO_4$.
• Водород (H): слева $5 \times 2 + 3 \times 2 = 16$ атомов, значит, справа ставим коэффициент 8 перед $H_2O$.
• Проверяем кислород (O): слева $2 \times 4 + 5 \times 2 + 3 \times 4 = 8 + 10 + 12 = 30$ атомов. Справа $2 \times 4 + 4 + 5 \times 2 + 8 = 8 + 4 + 10 + 8 = 30$ атомов. Баланс сходится.

Ответ: Электронный баланс для данной реакции:
$Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$ | x 2
$2O^{-1} - 2e^- \rightarrow O_2^0$ | x 5

б) 2KMnO₄ + 7H₂O₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 6O₂ + 10H₂O

Решение

Данное уравнение является стехиометрически верным, однако оно описывает сумму двух одновременно протекающих процессов. Составить единый электронный баланс, который приводил бы к таким коэффициентам, стандартным методом невозможно.

1. Первый процесс — это окислительно-восстановительная реакция между перманганатом калия и пероксидом водорода, рассмотренная в пункте а):
$2KMnO_4 + 5H_2O_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 5O_2 + 8H_2O$

2. Второй процесс — это каталитическое разложение избытка пероксида водорода на воду и кислород. Катализатором этого процесса выступают ионы $Mn^{2+}$, образующиеся в первой реакции:
$2H_2O_2 \xrightarrow{Mn^{2+}} 2H_2O + O_2$

Если сложить первое уравнение со вторым, то получатся итоговые коэффициенты, указанные в условии задачи:
$(2KMnO_4 + 5H_2O_2 + 3H_2SO_4) + (2H_2O_2) \rightarrow (2MnSO_4 + K_2SO_4 + 5O_2 + 8H_2O) + (2H_2O + O_2)$
Суммируя реагенты и продукты, получаем:
$2KMnO_4 + 7H_2O_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 6O_2 + 10H_2O$

Ответ: Электронный баланс можно составить только для окислительно-восстановительной части процесса, и он будет таким же, как в пункте а). Уравнение б) представляет собой сумму основной реакции и реакции каталитического разложения 2 моль $H_2O_2$.

Объясните различие в расстановке коэффициентов.

Решение

Различие в коэффициентах между уравнениями а) и б) объясняется тем, что они описывают разные по полноте химические процессы.

Уравнение а) описывает только одну реакцию — окисление пероксида водорода перманганатом калия в кислой среде. Электронный баланс для этой реакции однозначно приводит к соотношению реагентов $KMnO_4 : H_2O_2$ как $2:5$.

Уравнение б) описывает два параллельных процесса: ту же самую окислительно-восстановительную реакцию, что и в а), и дополнительно каталитическое разложение избыточного пероксида водорода. Образующиеся в основной реакции ионы марганца $Mn^{2+}$ катализируют распад еще 2 моль $H_2O_2$ на 2 моль $H_2O$ и 1 моль $O_2$. Поэтому в уравнении б) общее количество прореагировавшего пероксида водорода равно $5+2=7$ моль, а выделившегося кислорода — $5+1=6$ моль.

Ответ: Различие в коэффициентах обусловлено тем, что в реакции б) помимо основной окислительно-восстановительной реакции протекает каталитическое разложение избытка пероксида водорода.