Номер 12, страница 173 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 36. Соединения алюминия. Глава 3. Металлы главных подгрупп - номер 12, страница 173.

Условие.

12. При добавлении алюминия в водный раствор щёлочи, содержащей нитрат-ионы, наблюдается выделение газа, окрашивающего лакмусовую бумагу в синий цвет. Запишите уравнение реакции.

Решение.

Решение 2.

Согласно условию задачи, при добавлении алюминия в щелочной раствор, содержащий нитрат-ионы, выделяется газ. Этот газ окрашивает влажную лакмусовую бумагу в синий цвет, что является качественной реакцией на аммиак ($NH_3$). Следовательно, в ходе реакции происходит восстановление нитрат-ионов до аммиака.

Алюминий является амфотерным металлом. В щелочной среде он выступает в роли сильного восстановителя и окисляется, образуя комплексные соединения — алюминаты. В данном случае нитрат-ион ($NO_3^-$) является окислителем, а алюминий ($Al$) — восстановителем.

Таким образом, в данной окислительно-восстановительной реакции алюминий ($Al$) восстанавливает азот в нитрат-ионе ($NO_3^-$) со степени окисления +5 до степени окисления -3 в аммиаке ($NH_3$), а сам окисляется со степени окисления 0 до +3, образуя алюминат-ион ($[Al(OH)_4]^-$ или $AlO_2^-$). Реакция протекает в водной щелочной среде.

Решение

Запишем уравнение реакции, выбрав в качестве щёлочи гидроксид натрия ($NaOH$) и в качестве источника нитрат-ионов — нитрат натрия ($NaNO_3$). Продуктами реакции будут метаалюминат натрия ($NaAlO_2$) и аммиак ($NH_3$). Также в реакции участвует вода ($H_2O$). Для составления уравнения реакции воспользуемся методом электронного баланса.

1. Определим процессы окисления и восстановления, составив электронные уравнения:
Алюминий является восстановителем (отдаёт электроны, окисляется):
$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$
Азот в составе нитрат-иона является окислителем (принимает электроны, восстанавливается):
$N^{+5} + 8e^- \rightarrow N^{-3}$

2. Найдём наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (3 и 8). Оно равно 24. Это позволяет найти коэффициенты для окислителя и восстановителя:
$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ | $\times 8$ (процесс окисления)
$N^{+5} + 8e^- \rightarrow N^{-3}$ | $\times 3$ (процесс восстановления)

3. Подставим полученные коэффициенты в схему реакции: перед алюминием ставим 8, а перед веществом, содержащим нитрат-ион ($NaNO_3$), ставим 3.
$8Al + 3NaNO_3 + NaOH + H_2O \rightarrow NaAlO_2 + 3NH_3$

4. Уравняем количество атомов металлов (алюминия и натрия). Слева 8 атомов алюминия, значит, справа должно получиться 8 молекул метаалюмината натрия ($8NaAlO_2$). Теперь справа 8 атомов натрия. Слева уже есть 3 атома натрия в $3NaNO_3$, следовательно, для баланса необходимо взять $5NaOH$.
$8Al + 3NaNO_3 + 5NaOH + H_2O \rightarrow 8NaAlO_2 + 3NH_3$

5. Уравняем количество атомов водорода.
Слева: 5 атомов в $5NaOH$ и атомы из $H_2O$.
Справа: $3 \times 3 = 9$ атомов в $3NH_3$.
Чтобы уравнять водород, нам нужно 9 атомов слева. У нас уже есть 5 в $5NaOH$, значит, не хватает еще 4 атомов, которые мы получим из 2 молекул воды ($2H_2O$).
$8Al + 3NaNO_3 + 5NaOH + 2H_2O \rightarrow 8NaAlO_2 + 3NH_3$

6. Выполним проверку по атомам кислорода.
Слева: $3 \times 3$ (в $NaNO_3$) + 5 (в $NaOH$) + 2 (в $H_2O$) = $9 + 5 + 2 = 16$ атомов.
Справа: $8 \times 2$ (в $NaAlO_2$) = 16 атомов.
Количество атомов всех элементов слева и справа одинаково, следовательно, уравнение составлено верно.

Ответ:
$8Al + 3NaNO_3 + 5NaOH + 2H_2O \rightarrow 8NaAlO_2 + 3NH_3 \uparrow$