Номер 5, страница 183 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 5. Химические реакции в водных растворах. Параграф 26. Неорганические и органические кислоты в свете теории электролитической диссоциации и протолитической теории - номер 5, страница 183.

Условие.

5. Напишите уравнения реакций, с помощью которых в промышленности получают азотную, фосфорную, серную, уксусную, бензойную кислоты. В окислительно-восстановительных реакциях подберите коэффициенты методом электронного баланса.

Решение.

Решение 2.

Получение азотной кислоты (HNO₃)

Промышленное получение азотной кислоты (метод Оствальда) проходит в три стадии:

1. Каталитическое окисление аммиака кислородом воздуха на платино-родиевом катализаторе:

$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt, 800-900°C} 4NO + 6H_2O$

Это окислительно-восстановительная реакция. Подберем коэффициенты методом электронного баланса.

Решение:

$N^{-3}H_3 + O_2^0 \rightarrow N^{+2}O^{-2} + H_2O^{-2}$
$N^{-3} - 5e^- \rightarrow N^{+2}$ | 4 | окисление, восстановитель
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 5 | восстановление, окислитель
Коэффициенты перед веществами: 4 для $NH_3$ и $\text{NO}$, 5 для $O_2$. Уравниваем водород и кислород, добавляя $6H_2O$.

2. Окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV):

$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

Это окислительно-восстановительная реакция.

Решение:

$N^{+2}O + O_2^0 \rightarrow N^{+4}O_2$
$N^{+2} - 2e^- \rightarrow N^{+4}$ | 2 | окисление, восстановитель
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | восстановление, окислитель
Коэффициенты: 2 для $\text{NO}$ и $NO_2$, 1 для $O_2$.

3. Поглощение оксида азота(IV) водой в присутствии кислорода:

$4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$

Это окислительно-восстановительная реакция (диспропорционирование).

Решение:

$N^{+4}O_2 + O_2^0 + H_2O \rightarrow HN^{+5}O_3$
$N^{+4} - 1e^- \rightarrow N^{+5}$ | 4 | окисление, восстановитель
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | восстановление, окислитель
Коэффициенты: 4 для $NO_2$ и $HNO_3$, 1 для $O_2$. Уравниваем водород, добавляя $2H_2O$.

Ответ:
1. $4NH_3 + 5O_2 \rightarrow 4NO + 6H_2O$
2. $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$
3. $4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$

Получение фосфорной кислоты (H₃PO₄)

Промышленное получение фосфорной кислоты (термический способ) проходит в три стадии:

1. Восстановление фосфата кальция (из фосфоритов или апатитов) коксом в присутствии кремнезема в электропечах:

$2Ca_3(PO_4)_2 + 10C + 6SiO_2 \xrightarrow{1500°C} P_4 + 10CO + 6CaSiO_3$

Это окислительно-восстановительная реакция.

Решение:

$Ca_3(P^{+5}O_4)_2 + C^0 + SiO_2 \rightarrow P_4^0 + C^{+2}O + CaSiO_3$
$4P^{+5} + 20e^- \rightarrow P_4^0$ | 1 | восстановление, окислитель
$C^0 - 2e^- \rightarrow C^{+2}$ | 10 | окисление, восстановитель

2. Сжигание фосфора до оксида фосфора(V):

$P_4 + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$ (или $2P_2O_5$)

Это окислительно-восстановительная реакция.

Решение:

$P_4^0 + O_2^0 \rightarrow P_4^{+5}O_{10}$
$P_4^0 - 20e^- \rightarrow 4P^{+5}$ | 1 | окисление, восстановитель
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 5 | восстановление, окислитель

3. Гидратация оксида фосфора(V):

$P_4O_{10} + 6H_2O \rightarrow 4H_3PO_4$

Ответ:
1. $2Ca_3(PO_4)_2 + 10C + 6SiO_2 \rightarrow P_4 + 10CO + 6CaSiO_3$
2. $P_4 + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$
3. $P_4O_{10} + 6H_2O \rightarrow 4H_3PO_4$

Получение серной кислоты (H₂SO₄)

Промышленное получение серной кислоты (контактный способ) проходит в три стадии:

1. Обжиг сырья (серы или пирита $FeS_2$) для получения оксида серы(IV):

$4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$

Это окислительно-восстановительная реакция.

Решение:

$Fe^{+2}(S^{-1})_2 + O_2^0 \rightarrow Fe_2^{+3}O_3 + S^{+4}O_2$
$Fe^{+2} - 1e^- \rightarrow Fe^{+3}$
$2S^{-1} - 10e^- \rightarrow 2S^{+4}$
Суммарно для $FeS_2$: $FeS_2 - 11e^- \rightarrow Fe^{+3} + 2S^{+4}$ | 4 | окисление, восстановитель
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 11 | восстановление, окислитель

2. Каталитическое окисление оксида серы(IV) до оксида серы(VI) на ванадиевом катализаторе:

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

Это окислительно-восстановительная реакция.

Решение:

$S^{+4}O_2 + O_2^0 \rightarrow S^{+6}O_3$
$S^{+4} - 2e^- \rightarrow S^{+6}$ | 2 | окисление, восстановитель
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | восстановление, окислитель

3. Поглощение оксида серы(VI) концентрированной серной кислотой с образованием олеума и последующее разбавление олеума водой:

$SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7$ (олеум)
$H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$

Ответ:
1. $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$ (или $S + O_2 \rightarrow SO_2$)
2. $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$
3. $SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7$; $H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$

Получение уксусной кислоты (CH₃COOH)

Один из промышленных методов — каталитическое окисление ацетальдегида кислородом:

$2CH_3CHO + O_2 \xrightarrow{Mn^{2+}} 2CH_3COOH$

Это окислительно-восстановительная реакция.

Решение:

$CH_3C^{+1}HO + O_2^0 \rightarrow CH_3C^{+3}OOH$
$C^{+1} - 2e^- \rightarrow C^{+3}$ | 2 | окисление, восстановитель
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | восстановление, окислитель

Ответ: $2CH_3CHO + O_2 \rightarrow 2CH_3COOH$

Получение бензойной кислоты (C₆H₅COOH)

Основной промышленный метод — каталитическое окисление толуола кислородом воздуха:

$2C_6H_5CH_3 + 3O_2 \xrightarrow{Co/Mn, t, p} 2C_6H_5COOH + 2H_2O$

Это окислительно-восстановительная реакция.

Решение:

$C_6H_5C^{-3}H_3 + O_2^0 \rightarrow C_6H_5C^{+3}OOH + H_2O$
$C^{-3} - 6e^- \rightarrow C^{+3}$ | 2 | окисление, восстановитель
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 3 | восстановление, окислитель
Коэффициенты: 2 для толуола и бензойной кислоты, 3 для $O_2$. Уравниваем водород, добавляя $2H_2O$.

Ответ: $2C_6H_5CH_3 + 3O_2 \rightarrow 2C_6H_5COOH + 2H_2O$