Номер 2, страница 160, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

2. Составьте электронный баланс для каждой из стадий производства азотной кислоты.

Решение

Производство азотной кислоты в промышленности (метод Оствальда) проходит в три основные стадии. Ниже представлен электронный баланс для каждой из них.

1-я стадия: Каталитическое окисление аммиака кислородом воздуха

На этой стадии аммиак окисляется до оксида азота(II) на платино-родиевом катализаторе.

Уравнение реакции:

$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{кат., t} 4No + 6H_2O$

Определяем степени окисления элементов, которые их изменяют:

• Азот в аммиаке ($N^{-3}H_3$) имеет степень окисления -3, а в оксиде азота(II) ($N^{+2}O$) — +2.
• Кислород в простом веществе ($O_2^0$) имеет степень окисления 0, а в продуктах (No и H₂O) — -2.

Составляем электронный баланс:

Азот отдает электроны (окисляется), являясь восстановителем. Кислород принимает электроны (восстанавливается), являясь окислителем.

$ \begin{array}{c|c|l|c} N^{-3} & -5e^- \rightarrow & N^{+2} & 4 \\ O_2^0 & +4e^- \rightarrow & 2O^{-2} & 5 \end{array} $

Ответ:

$ \begin{array}{ll} N^{-3} - 5e^- \rightarrow N^{+2} & | \times 4 \text{ (окисление, } NH_3 \text{ - восстановитель)} \\ O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2} & | \times 5 \text{ (восстановление, } O_2 \text{ - окислитель)} \end{array} $

2-я стадия: Окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV)

Полученный на первой стадии оксид азота(II) далее окисляется кислородом воздуха до оксида азота(IV).

Уравнение реакции:

$2No + O_2 \rightarrow 2NO_2$

Определяем степени окисления элементов, которые их изменяют:

• Азот в оксиде азота(II) ($N^{+2}O$) имеет степень окисления +2, а в оксиде азота(IV) ($N^{+4}O_2$) — +4.
• Кислород в простом веществе ($O_2^0$) имеет степень окисления 0, а в продукте ($NO_2$) — -2.

Составляем электронный баланс:

Азот отдает электроны (окисляется), являясь восстановителем. Кислород принимает электроны (восстанавливается), являясь окислителем.

$ \begin{array}{c|c|l|c} N^{+2} & -2e^- \rightarrow & N^{+4} & 2 \\ O_2^0 & +4e^- \rightarrow & 2O^{-2} & 1 \end{array} $

Ответ:

$ \begin{array}{ll} N^{+2} - 2e^- \rightarrow N^{+4} & | \times 2 \text{ (окисление, } No \text{ - восстановитель)} \\ O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2} & | \times 1 \text{ (восстановление, } O_2 \text{ - окислитель)} \end{array} $

3-я стадия: Поглощение оксида азота(IV) водой

Оксид азота(IV) реагирует с водой в присутствии кислорода, образуя азотную кислоту. Эта реакция является реакцией диспропорционирования, если протекает без дополнительного кислорода.

Уравнение реакции (диспропорционирование):

$3NO_2 + H_2o \rightarrow 2HNO_3 + NO$

Определяем степени окисления элементов, которые их изменяют:

• Азот в оксиде азота(IV) ($N^{+4}O_2$) имеет степень окисления +4.
• В продуктах азот находится в двух степенях окисления: +5 в азотной кислоте ($HN^{+5}O_3$) и +2 в оксиде азота(II) ($N^{+2}O$).

Составляем электронный баланс:

Атом азота в $NO_2$ одновременно и повышает, и понижает свою степень окисления. Таким образом, $NO_2$ является и окислителем, и восстановителем.

$ \begin{array}{c|c|l|c} N^{+4} & -1e^- \rightarrow & N^{+5} & 2 \\ N^{+4} & +2e^- \rightarrow & N^{+2} & 1 \end{array} $

Примечание: В промышленных условиях эту стадию проводят с избытком кислорода, чтобы весь оксид азота превратился в кислоту. Уравнение суммарного процесса: $4NO_2 + O_2 + 2H_2o \rightarrow 4HNO_3$. Электронный баланс для этого процесса также можно составить, где $NO_2$ будет восстановителем, а $O_2$ — окислителем.

Ответ:

Для реакции диспропорционирования:

$ \begin{array}{ll} N^{+4} - 1e^- \rightarrow N^{+5} & | \times 2 \text{ (окисление, } NO_2 \text{ - восстановитель)} \\ N^{+4} + 2e^- \rightarrow N^{+2} & | \times 1 \text{ (восстановление, } NO_2 \text{ - окислитель)} \end{array} $