Номер 4, страница 66 - гдз по химии 11 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

4. Запишите уравнения реакций кислот с металлами, используя метод электронного баланса.

1) $H_2SO_4$(конц.) + Cu = ___ + ___ + ___

2) $HNO_3$(конц.) + Cu = ___ + ___ + ___

3) $HNO_3$(разб.) + Cu = ___ + ___ + ___

1) H₂SO₄(конц.) + Cu = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

Решение:

Взаимодействие меди с концентрированной серной кислотой является окислительно-восстановительной реакцией. Медь (Cu), как металл, стоящий в ряду активности после водорода, не может вытеснить водород из кислот. Однако она окисляется сильными кислотами-окислителями, какой является концентрированная серная кислота. В ходе реакции медь окисляется до сульфата меди(II) ($CuSO_4$), а серная кислота восстанавливается до сернистого газа ($SO_2$). Также образуется вода ($H_2O$).

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:

$Cu^0 + H_2S^{+6}O_4 \rightarrow Cu^{+2}SO_4 + S^{+4}O_2 + H_2O$

Медь повышает свою степень окисления с 0 до +2, являясь восстановителем. Сера понижает свою степень окисления с +6 до +4, являясь окислителем.

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{+2} \quad | \cdot 1$ (процесс окисления)
$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4} \quad | \cdot 1$ (процесс восстановления)

Число отданных и принятых электронов равно (2), поэтому коэффициенты перед окислителем и восстановителем равны 1.

Подставим эти коэффициенты в уравнение реакции:

$1Cu + H_2SO_4 \rightarrow 1CuSO_4 + 1SO_2 + H_2O$

Теперь уравняем остальные элементы. Начнем с серы. В правой части уравнения 1 атом серы в $CuSO_4$ и 1 атом в $SO_2$, итого 2 атома. Следовательно, перед $H_2SO_4$ в левой части нужно поставить коэффициент 2.

$Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2 + H_2O$

Теперь уравняем водород. В левой части $2 \times 2 = 4$ атома водорода. Чтобы в правой части было также 4 атома, ставим коэффициент 2 перед $H_2O$.

$Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2 + 2H_2O$

Проверим баланс по кислороду. Слева: $2 \times 4 = 8$ атомов. Справа: $4$ (в $CuSO_4$) + $2$ (в $SO_2$) + $2 \times 1$ (в $2H_2O$) = $8$ атомов. Баланс соблюден.

Ответ: $Cu + 2H_2SO_4(конц.) = CuSO_4 + SO_2 \uparrow + 2H_2O$.

2) HNO₃(конц.) + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Решение:

Концентрированная азотная кислота ($HNO_3$) является сильным окислителем и реагирует с медью. В этой реакции медь окисляется до нитрата меди(II) ($Cu(NO_3)_2$), а азотная кислота, из-за высокой концентрации, восстанавливается до бурого газа - диоксида азота ($NO_2$). Также образуется вода ($H_2O$).

Определим степени окисления изменяющихся элементов:

$Cu^0 + HN^{+5}O_3 \rightarrow Cu^{+2}(NO_3)_2 + N^{+4}O_2 + H_2O$

Медь (восстановитель) окисляется с 0 до +2. Азот (окислитель) восстанавливается с +5 до +4.

Составим электронный баланс:

$Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{+2} \quad | \cdot 1$ (процесс окисления)
$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4} \quad | \cdot 2$ (процесс восстановления)

Наименьшее общее кратное для чисел отданных (2) и принятых (1) электронов равно 2. Отсюда находим коэффициенты: 1 для меди и 2 для азота, изменившего степень окисления.

Подставим коэффициенты перед веществами, содержащими эти элементы:

$1Cu + HNO_3 \rightarrow 1Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + H_2O$

Теперь уравняем атомы азота. В правой части 2 атома азота в $Cu(NO_3)_2$ и 2 атома в $2NO_2$, итого $2+2=4$ атома. Значит, перед $HNO_3$ ставим коэффициент 4.

$Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + H_2O$

Уравняем водород. Слева 4 атома, значит, перед $H_2O$ нужен коэффициент 2.

$Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O$

Проверим кислород. Слева: $4 \times 3 = 12$ атомов. Справа: $2 \times 3$ (в $Cu(NO_3)_2$) + $2 \times 2$ (в $2NO_2$) + $2 \times 1$ (в $2H_2O$) = $6 + 4 + 2 = 12$ атомов. Уравнение сбалансировано.

Ответ: $Cu + 4HNO_3(конц.) = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$.

3) HNO₃(разб.) + Cu = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Решение:

Разбавленная азотная кислота также окисляет медь, но глубина восстановления азота иная, чем в случае с концентрированной кислотой. Медь окисляется до нитрата меди(II) ($Cu(NO_3)_2$), а азот из $HNO_3$ восстанавливается до оксида азота(II) ($NO$). Также образуется вода ($H_2O$).

Определим степени окисления изменяющихся элементов:

$Cu^0 + HN^{+5}O_3 \rightarrow Cu^{+2}(NO_3)_2 + N^{+2}O + H_2O$

Медь (восстановитель) отдает электроны, повышая степень окисления с 0 до +2. Азот (окислитель) принимает электроны, понижая степень окисления с +5 до +2.

Составим электронный баланс:

$Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{+2} \quad | \cdot 3$ (процесс окисления)
$N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2} \quad | \cdot 2$ (процесс восстановления)

Наименьшее общее кратное для 2 и 3 равно 6. Отсюда коэффициенты: 3 для меди и 2 для азота, изменившего степень окисления.

Подставим эти коэффициенты в уравнение:

$3Cu + HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + H_2O$

Уравняем азот. Справа $3 \times 2 = 6$ атомов в $3Cu(NO_3)_2$ и 2 атома в $2NO$, итого $6+2=8$ атомов. Ставим коэффициент 8 перед $HNO_3$.

$3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + H_2O$

Уравняем водород. Слева 8 атомов. Чтобы справа было 8, ставим коэффициент 4 перед $H_2O$.

$3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$

Проверим кислород. Слева: $8 \times 3 = 24$ атома. Справа: $3 \times (2 \times 3)$ (в $3Cu(NO_3)_2$) + $2$ (в $2NO$) + $4 \times 1$ (в $4H_2O$) = $18 + 2 + 4 = 24$ атома. Баланс достигнут.

Ответ: $3Cu + 8HNO_3(разб.) = 3Cu(NO_3)_2 + 2NO \uparrow + 4H_2O$.