Номер 9, страница 354 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 49. Кремний и его соединения - номер 9, страница 354.

Условие.

9. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции, определите окислитель и восстановитель.

а) $Si + \dots + HF \to H_2[SiF_6] + NO\uparrow + \dots$

б) $Si + HF + \dots \to H_2[SiF_6] + KCl + \dots$

в) $Si + \dots + KNO_3 \to H_2[SiF_6] + \dots + H_2O$

Решение.

Решение 2.

а) Si + ... + HF → H₂[SiF₆] + NO↑ + ...

Решение

В данной реакции кремний $\text{Si}$ изменяет степень окисления с $\text{0}$ на $+4$ в составе комплексного иона $[SiF_6]^{2-}$, следовательно, $\text{Si}$ является восстановителем. Азот в оксиде азота(II) $\text{NO}$ имеет степень окисления $+2$. Это означает, что в реакции участвует окислитель, содержащий азот в более высокой степени окисления. Таким окислителем в кислой среде (присутствует $\text{HF}$) является азотная кислота $HNO_3$, в которой азот имеет степень окисления $+5$. Недостающим продуктом реакции является вода $H_2O$.

Запишем схему реакции: $Si + HNO_3 + HF \rightarrow H_2[SiF_6] + NO + H_2O$.

Составим электронный баланс, определив процессы окисления и восстановления:

$Si^0 - 4e^- \rightarrow Si^{+4}$ | 3 (процесс окисления)

$N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2}$ | 4 (процесс восстановления)

Найденные коэффициенты 3 и 4 ставим перед соответствующими веществами:

$3Si + 4HNO_3 + HF \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4NO + H_2O$

Теперь уравняем остальные атомы. В правой части уравнения $3 \cdot 6 = 18$ атомов фтора, следовательно, перед $\text{HF}$ в левой части ставим коэффициент 18.

$3Si + 4HNO_3 + 18HF \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4NO + H_2O$

Подсчитаем атомы водорода в левой части: $\text{4}$ (в $HNO_3$) + $\text{18}$ (в $\text{HF}$) = $\text{22}$ атома. В правой части $3 \cdot 2 = 6$ атомов водорода в $H_2[SiF_6]$. Для баланса необходимо $22 - 6 = 16$ атомов водорода, что соответствует 8 молекулам воды. Ставим коэффициент 8 перед $H_2O$.

$3Si + 4HNO_3 + 18HF \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4NO + 8H_2O$

Проверим баланс по кислороду: слева $4 \cdot 3 = 12$ атомов, справа $\text{4}$ (в $\text{NO}$) + $\text{8}$ (в $H_2O$) = $\text{12}$ атомов. Уравнение составлено верно.

Кремний ($Si^0$) отдает электроны и окисляется, являясь восстановителем. Азот ($N^{+5}$) в составе азотной кислоты принимает электроны и восстанавливается, следовательно, $HNO_3$ является окислителем.

Ответ: Уравнение реакции: $3Si + 4HNO_3 + 18HF \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4NO\uparrow + 8H_2O$. Восстановитель – кремний ($\text{Si}$), окислитель – азотная кислота ($HNO_3$).

б) Si + HF + ... → H₂[SiF₆] + KCl + ...

Решение

Кремний $\text{Si}$ окисляется со степени окисления $\text{0}$ до $+4$. Следовательно, в реакции должен участвовать окислитель. В продуктах присутствует хлорид калия $KCl$, где хлор имеет степень окисления $-1$. Это указывает на то, что окислителем является соединение калия и хлора, в котором хлор находится в положительной степени окисления, например, хлорат калия $KClO_3$ (степень окисления хлора $+5$). Недостающим продуктом реакции будет вода $H_2O$.

Запишем схему реакции: $Si + HF + KClO_3 \rightarrow H_2[SiF_6] + KCl + H_2O$.

Составим электронный баланс:

$Si^0 - 4e^- \rightarrow Si^{+4}$ | 3 (процесс окисления)

$Cl^{+5} + 6e^- \rightarrow Cl^{-1}$ | 2 (процесс восстановления)

Наименьшее общее кратное для 4 и 6 равно 12. Расставляем коэффициенты: 3 перед $\text{Si}$ и $H_2[SiF_6]$, 2 перед $KClO_3$ и $KCl$.

$3Si + HF + 2KClO_3 \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 2KCl + H_2O$

Уравняем атомы фтора: справа $3 \cdot 6 = 18$ атомов, значит, слева перед $\text{HF}$ ставим коэффициент 18.

$3Si + 18HF + 2KClO_3 \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 2KCl + H_2O$

Уравняем атомы водорода: слева 18 атомов. Справа $3 \cdot 2 = 6$ атомов в $H_2[SiF_6]$. Необходимо еще $18 - 6 = 12$ атомов, что соответствует 6 молекулам воды. Ставим коэффициент 6 перед $H_2O$.

$3Si + 18HF + 2KClO_3 \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 2KCl + 6H_2O$

Проверим баланс по кислороду: слева $2 \cdot 3 = 6$ атомов, справа $\text{6}$ атомов в $H_2O$. Уравнение составлено верно.

Кремний ($Si^0$) является восстановителем. Хлор ($Cl^{+5}$) в составе хлората калия является окислителем.

Ответ: Уравнение реакции: $3Si + 18HF + 2KClO_3 \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 2KCl + 6H_2O$. Восстановитель – кремний ($\text{Si}$), окислитель – хлорат калия ($KClO_3$).

в) Si + ... + KNO₃ → H₂[SiF₆] + ... + H₂O

Решение

В этой реакции кремний $\text{Si}$ (степень окисления $\text{0}$) окисляется до $Si^{+4}$. Окислителем выступает нитрат калия $KNO_3$, где азот имеет степень окисления $+5$. Для образования гексафторкремниевой кислоты $H_2[SiF_6]$ необходим источник фтора и водорода, которым является плавиковая кислота $\text{HF}$. Продуктами восстановления нитрат-иона в кислой среде могут быть различные оксиды азота; предположим, что, как и в пункте а), образуется $\text{NO}$ (степень окисления азота $+2$). Ион калия $K^+$ образует соль с единственным доступным анионом (кроме комплексного) - фторид-ионом $F^-$, образуя фторид калия $\text{KF}$.

Схема реакции: $Si + HF + KNO_3 \rightarrow H_2[SiF_6] + KF + NO + H_2O$.

Составим электронный баланс:

$Si^0 - 4e^- \rightarrow Si^{+4}$ | 3 (процесс окисления)

$N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2}$ | 4 (процесс восстановления)

Расставляем коэффициенты: 3 перед $\text{Si}$ и $H_2[SiF_6]$, 4 перед $KNO_3$ и $\text{NO}$.

$3Si + HF + 4KNO_3 \rightarrow 3H_2[SiF_6] + KF + 4NO + H_2O$

Уравняем калий: слева 4 атома, значит, справа перед $\text{KF}$ ставим коэффициент 4.

$3Si + HF + 4KNO_3 \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4KF + 4NO + H_2O$

Уравняем фтор: справа $3 \cdot 6 + 4 = 18 + 4 = 22$ атома, значит, слева перед $\text{HF}$ ставим коэффициент 22.

$3Si + 22HF + 4KNO_3 \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4KF + 4NO + H_2O$

Уравняем водород: слева 22 атома. Справа $3 \cdot 2 = 6$ атомов в $H_2[SiF_6]$. Нужно еще $22 - 6 = 16$ атомов, что соответствует 8 молекулам воды. Ставим коэффициент 8 перед $H_2O$.

$3Si + 22HF + 4KNO_3 \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4KF + 4NO + 8H_2O$

Проверим баланс по кислороду: слева $4 \cdot 3 = 12$ атомов, справа $\text{4}$ (в $\text{NO}$) + $\text{8}$ (в $H_2O$) = $\text{12}$ атомов. Уравнение сбалансировано.

Кремний ($Si^0$) является восстановителем. Азот ($N^{+5}$) в составе нитрата калия является окислителем.

Ответ: Уравнение реакции: $3Si + 22HF + 4KNO_3 \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4KF + 4NO + 8H_2O$. Восстановитель – кремний ($\text{Si}$), окислитель – нитрат калия ($KNO_3$).