Номер 9, страница 347 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 48. Углерод и его соединения - номер 9, страница 347.

Условие.

9. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции.

а) $C + ... \rightarrow SO_2\uparrow + ... + H_2O$

б) $C + ... \rightarrow NO_2\uparrow + ... + H_2O$

в) $Ca_3(PO_4)_2 + ... + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3 + ... + ...$

г) $Cr_2O_3 + NaNO_3 + ... \rightarrow Na_2CrO_4 + ... + CO_2\uparrow$

д) $MnO_2 + KClO_3 + ... \rightarrow K_2MnO_4 + ... + CO_2\uparrow$

е) $C + SiO_2 + ... \rightarrow SiCl_4 + CO\uparrow$

ж) $Sn + ... + HNO_3 \rightarrow H_2[SnCl_6] + NO\uparrow + ...$

з) $PbO_2 + ... + HNO_3 \rightarrow Pb(NO_3)_2 + ... + I_2 + KNO_3$

Решение.

Решение 2.

а) C + ... → SO₂↑ + ... + H₂O

Решение

В данной реакции углерод окисляется, а окислителем, содержащим серу и дающим при восстановлении $SO_2$ и $H_2O$, является концентрированная серная кислота $H_2SO_4$. Углерод при этом окисляется до $CO_2$.

Схема реакции: $C + H_2SO_4 \rightarrow CO_2 + SO_2 + H_2O$

Определим степени окисления изменяющихся элементов:

$C^0 + H_2S^{+6}O_4 \rightarrow C^{+4}O_2 + S^{+4}O_2 + H_2O$

Составим электронный баланс:

$C^0 - 4e^- \rightarrow C^{+4}$ | 1 (окисление, восстановитель)

$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4}$ | 2 (восстановление, окислитель)

Расставим коэффициенты в уравнении реакции:

$1C + 2H_2SO_4 \rightarrow 1CO_2 + 2SO_2 + H_2O$

Уравняем количество атомов водорода и кислорода:

$C + 2H_2SO_4 \rightarrow CO_2 + 2SO_2 + 2H_2O$

Проверка по кислороду: слева $2 \cdot 4 = 8$; справа $2 + 2 \cdot 2 + 2 = 8$. Уравнение составлено верно.

Ответ: $C + 2H_2SO_4 \rightarrow CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O$

б) C + ... → NO₂↑ + ... + H₂O

Решение

Аналогично предыдущему пункту, окислителем, содержащим азот и дающим при восстановлении $NO_2$ и $H_2O$, является концентрированная азотная кислота $HNO_3$. Углерод окисляется до $CO_2$.

Схема реакции: $C + HNO_3 \rightarrow CO_2 + NO_2 + H_2O$

Определим степени окисления:

$C^0 + HN^{+5}O_3 \rightarrow C^{+4}O_2 + N^{+4}O_2 + H_2O$

Составим электронный баланс:

$C^0 - 4e^- \rightarrow C^{+4}$ | 1 (окисление, восстановитель)

$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ | 4 (восстановление, окислитель)

Расставим коэффициенты:

$1C + 4HNO_3 \rightarrow 1CO_2 + 4NO_2 + H_2O$

Уравняем водород и кислород:

$C + 4HNO_3 \rightarrow CO_2 + 4NO_2 + 2H_2O$

Проверка по кислороду: слева $4 \cdot 3 = 12$; справа $2 + 4 \cdot 2 + 2 = 12$. Уравнение составлено верно.

Ответ: $C + 4HNO_3 \rightarrow CO_2\uparrow + 4NO_2\uparrow + 2H_2O$

в) Ca₃(PO₄)₂ + ... + SiO₂ → CaSiO₃ + ... + ...

Решение

Примечание: в условии, вероятно, опечатка Ca₃(PO₄)₃, правильная формула фосфата кальция - Ca₃(PO₄)₂.

Это промышленный способ получения фосфора в электропечах. Фосфат кальция восстанавливают углем (коксом) в присутствии диоксида кремния (песка).

Схема реакции: $Ca_3(PO_4)_2 + C + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3 + P + CO$

Определим степени окисления:

$Ca_3(P^{+5}O_4)_2 + C^0 + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3 + P^0 + C^{+2}O$

Составим электронный баланс:

$C^0 - 2e^- \rightarrow C^{+2}$ | 10 | 5 (окисление, восстановитель)

$2P^{+5} + 10e^- \rightarrow 2P^0$ | 2 | 1 (восстановление, окислитель)

Расставим коэффициенты (сначала для фосфора и углерода, затем уравняем остальные элементы):

$Ca_3(PO_4)_2 + 5C + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3 + 2P + 5CO$

Уравняем кальций: слева 3 атома, значит справа нужно 3 молекулы $CaSiO_3$.

$Ca_3(PO_4)_2 + 5C + SiO_2 \rightarrow 3CaSiO_3 + 2P + 5CO$

Уравняем кремний: справа 3 атома, значит слева нужно 3 молекулы $SiO_2$.

$Ca_3(PO_4)_2 + 5C + 3SiO_2 \rightarrow 3CaSiO_3 + 2P + 5CO$

Проверка по кислороду: слева $8 + 3 \cdot 2 = 14$; справа $3 \cdot 3 + 5 = 14$. Уравнение составлено верно.

Ответ: $Ca_3(PO_4)_2 + 5C + 3SiO_2 \rightarrow 3CaSiO_3 + 2P + 5CO\uparrow$

г) Cr₂O₃ + NaNO₃ + ... → Na₂CrO₄ + ... + CO₂↑

Решение

Это реакция окислительного сплавления. В качестве щелочной среды, необходимой для образования хромата, и источника $CO_2$ используется карбонат натрия $Na_2CO_3$. Нитрат-ион восстанавливается до нитрит-иона.

Схема реакции: $Cr_2O_3 + NaNO_3 + Na_2CO_3 \rightarrow Na_2CrO_4 + NaNO_2 + CO_2$

Определим степени окисления:

$Cr_2^{+3}O_3 + NaN^{+5}O_3 + Na_2CO_3 \rightarrow Na_2Cr^{+6}O_4 + NaN^{+3}O_2 + CO_2$

Составим электронный баланс:

$2Cr^{+3} - 6e^- \rightarrow 2Cr^{+6}$ | 1 (окисление, восстановитель)

$N^{+5} + 2e^- \rightarrow N^{+3}$ | 3 (восстановление, окислитель)

Расставим коэффициенты:

$1Cr_2O_3 + 3NaNO_3 + Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_2CrO_4 + 3NaNO_2 + CO_2$

Уравняем натрий и углерод: слева $3+2=5$ Na, справа $4+3=7$ Na. Нужно 2 $Na_2CO_3$ слева, тогда и углерод уравняется.

$Cr_2O_3 + 3NaNO_3 + 2Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_2CrO_4 + 3NaNO_2 + 2CO_2$

Проверка по кислороду: слева $3 + 3 \cdot 3 + 2 \cdot 3 = 18$; справа $2 \cdot 4 + 3 \cdot 2 + 2 \cdot 2 = 8+6+4=18$. Уравнение составлено верно.

Ответ: $Cr_2O_3 + 3NaNO_3 + 2Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_2CrO_4 + 3NaNO_2 + 2CO_2\uparrow$

д) MnO₂ + KClO₃ + ... → K₂MnO₄ + ... + CO₂↑

Решение

Аналогично пункту г), это окислительное сплавление в щелочной среде, создаваемой карбонатом калия $K_2CO_3$. Хлорат-ион является сильным окислителем и восстанавливается до хлорид-иона.

Схема реакции: $MnO_2 + KClO_3 + K_2CO_3 \rightarrow K_2MnO_4 + KCl + CO_2$

Определим степени окисления:

$Mn^{+4}O_2 + K{Cl}^{+5}O_3 + K_2CO_3 \rightarrow K_2Mn^{+6}O_4 + K{Cl}^{-1} + CO_2$

Составим электронный баланс:

$Mn^{+4} - 2e^- \rightarrow Mn^{+6}$ | 3 (окисление, восстановитель)

$Cl^{+5} + 6e^- \rightarrow Cl^{-1}$ | 1 (восстановление, окислитель)

Расставим коэффициенты:

$3MnO_2 + 1KClO_3 + K_2CO_3 \rightarrow 3K_2MnO_4 + 1KCl + CO_2$

Уравняем калий и углерод: слева $1+2=3$ K, справа $3 \cdot 2+1=7$ K. Необходимо 3 $K_2CO_3$ слева.

$3MnO_2 + KClO_3 + 3K_2CO_3 \rightarrow 3K_2MnO_4 + KCl + 3CO_2$

Проверка по кислороду: слева $3 \cdot 2 + 3 + 3 \cdot 3 = 6+3+9=18$; справа $3 \cdot 4 + 3 \cdot 2 = 12+6=18$. Уравнение составлено верно.

Ответ: $3MnO_2 + KClO_3 + 3K_2CO_3 \rightarrow 3K_2MnO_4 + KCl + 3CO_2\uparrow$

е) C + SiO₂ + ... → SiCl₄ + CO↑

Решение

Это процесс получения тетрахлорида кремния. Необходим источник хлора - газообразный хлор $Cl_2$. Углерод выступает в роли восстановителя для кислорода из $SiO_2$, а хлор реагирует с образующимся кремнием.

Схема реакции: $C + SiO_2 + Cl_2 \rightarrow SiCl_4 + CO$

Определим степени окисления:

$C^0 + SiO_2 + {Cl_2}^0 \rightarrow Si{Cl_4}^{-1} + C^{+2}O$

Степень окисления кремния не меняется ($+4$).

Составим электронный баланс:

$C^0 - 2e^- \rightarrow C^{+2}$ | 1 (окисление, восстановитель)

${Cl_2}^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ | 1 (восстановление, окислитель)

Коэффициенты для C и $Cl_2$ должны быть равны. Уравняем атомы.

Для образования $SiCl_4$ нужно 4 атома хлора, т.е. $2Cl_2$.

Для связывания 2 атомов кислорода из $SiO_2$ нужно 2 атома углерода для образования $2CO$.

Тогда баланс будет выглядеть так:

$2C^0 - 4e^- \rightarrow 2C^{+2}$

$2{Cl_2}^0 + 4e^- \rightarrow 4Cl^{-1}$

Итоговое уравнение:

$2C + SiO_2 + 2Cl_2 \rightarrow SiCl_4 + 2CO$

Ответ: $2C + SiO_2 + 2Cl_2 \rightarrow SiCl_4 + 2CO\uparrow$

ж) Sn + ... + HNO₃ → H₂[SnCl₆] + NO↑ + ...

Решение

Образование гексахлоростаннат(IV) водорода указывает на присутствие в реагентах источника хлорид-ионов, например, соляной кислоты $HCl$. Реакция протекает в смеси кислот.

Схема реакции: $Sn + HCl + HNO_3 \rightarrow H_2[SnCl_6] + NO + H_2O$

Определим степени окисления:

$Sn^0 + HCl + HN^{+5}O_3 \rightarrow H_2[Sn^{+4}Cl_6] + N^{+2}O + H_2O$

Составим электронный баланс:

$Sn^0 - 4e^- \rightarrow Sn^{+4}$ | 3 (окисление, восстановитель)

$N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2}$ | 4 (восстановление, окислитель)

Расставим коэффициенты:

$3Sn + HCl + 4HNO_3 \rightarrow 3H_2[SnCl_6] + 4NO + H_2O$

Уравняем хлор: справа $3 \cdot 6 = 18$ атомов, значит слева нужно $18HCl$.

$3Sn + 18HCl + 4HNO_3 \rightarrow 3H_2[SnCl_6] + 4NO + H_2O$

Уравняем водород: слева $18+4=22$ атома. Справа $3 \cdot 2 = 6$ атомов в кислоте. Нужно еще $22-6=16$ атомов, т.е. $8H_2O$.

$3Sn + 18HCl + 4HNO_3 \rightarrow 3H_2[SnCl_6] + 4NO + 8H_2O$

Проверка по кислороду: слева $4 \cdot 3 = 12$; справа $4 + 8 = 12$. Уравнение составлено верно.

Ответ: $3Sn + 18HCl + 4HNO_3 \rightarrow 3H_2[SnCl_6] + 4NO\uparrow + 8H_2O$

з) PbO₂ + ... + HNO₃ → Pb(NO₃)₂ + ... + I₂ + KNO₃

Решение

В продуктах есть йод $I_2$ и нитрат калия $KNO_3$. Это значит, что в реагентах был иодид калия $\text{KI}$, который является восстановителем. $PbO_2$ - окислитель.

Схема реакции: $PbO_2 + KI + HNO_3 \rightarrow Pb(NO_3)_2 + I_2 + KNO_3 + H_2O$

Определим степени окисления:

$Pb^{+4}O_2 + KI^{-1} + HNO_3 \rightarrow Pb^{+2}(NO_3)_2 + {I_2}^0 + KNO_3 + H_2O$

Составим электронный баланс:

$2I^{-1} - 2e^- \rightarrow {I_2}^0$ | 1 (окисление, восстановитель)

$Pb^{+4} + 2e^- \rightarrow Pb^{+2}$ | 1 (восстановление, окислитель)

Расставим коэффициенты, соответствующие балансу (1 для $PbO_2$ и 1 для $I_2$, что требует $2KI$):

$1PbO_2 + 2KI + HNO_3 \rightarrow 1Pb(NO_3)_2 + 1I_2 + KNO_3 + H_2O$

Уравняем калий: слева 2 атома, значит справа нужно $2KNO_3$.

$PbO_2 + 2KI + HNO_3 \rightarrow Pb(NO_3)_2 + I_2 + 2KNO_3 + H_2O$

Уравняем нитрат-ионы (азот): справа $\text{2}$ в нитрате свинца и $\text{2}$ в нитрате калия, итого 4. Значит, слева нужно $4HNO_3$.

$PbO_2 + 2KI + 4HNO_3 \rightarrow Pb(NO_3)_2 + I_2 + 2KNO_3 + H_2O$

Уравняем водород: слева 4 атома, значит справа нужно $2H_2O$.

$PbO_2 + 2KI + 4HNO_3 \rightarrow Pb(NO_3)_2 + I_2 + 2KNO_3 + 2H_2O$

Проверка по кислороду: слева $2 + 4 \cdot 3 = 14$; справа $2 \cdot 3 + 2 \cdot 3 + 2 = 6+6+2=14$. Уравнение составлено верно.

Ответ: $PbO_2 + 2KI + 4HNO_3 \rightarrow Pb(NO_3)_2 + I_2 + 2KNO_3 + 2H_2O$