Номер 5, страница 392 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 8. Металлы. Параграф 54. Алюминий - номер 5, страница 392.

Условие.

5. Составьте уравнения реакций, используя для расстановки коэффициентов метод электронного баланса.

1) $\text{Al}$ + $KNO_3$ + ... + $H_2O$ $\longrightarrow$ $NH_3$$\uparrow$ + ...

2) $Al_2S_3$ + ... $\longrightarrow$ $Al_2(SO_4)_3$ + $NO_2$$\uparrow$ + ...

Определите окислитель и восстановитель.

Решение.

Решение 2.

1) Al + KNO₃ + ... + H₂O → NH₃↑ + ...

Решение

Данная реакция является окислительно-восстановительной. Алюминий, как активный металл, будет восстановителем. Азот в нитрате калия находится в высшей степени окисления +5 и будет окислителем. Восстановление нитрат-иона до аммиака ($N^{-3}$) обычно протекает в щелочной среде. Поэтому в качестве недостающего реагента следует взять щелочь, например, гидроксид калия ($KOH$), чтобы в системе присутствовал один вид катионов металла. Продуктом окисления алюминия в щелочной среде является тетрагидроксоалюминат калия ($K[Al(OH)_4]$).

Схема реакции выглядит следующим образом:

$Al + KNO_3 + KOH + H_2O \rightarrow NH_3 \uparrow + K[Al(OH)_4]$

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

$Al^0 \rightarrow Al^{+3}$ (в составе $[Al(OH)_4]^-$)

$N^{+5}$ (в составе $NO_3^-$) $\rightarrow N^{-3}$ (в составе $NH_3$)

Составим уравнения полуреакций и электронный баланс:

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ $| 8 |$ процесс окисления

$N^{+5} + 8e^- \rightarrow N^{-3}$ $| 3 |$ процесс восстановления

Из электронного баланса следует, что коэффициент перед алюминием ($\text{Al}$) и его соединениями ($K[Al(OH)_4]$) равен 8, а перед соединениями азота ($KNO_3$ и $NH_3$) — 3. Расставим эти коэффициенты в уравнении:

$8Al + 3KNO_3 + KOH + H_2O \rightarrow 3NH_3 \uparrow + 8K[Al(OH)_4]$

Теперь уравняем остальные элементы. Начнем с калия (K). В правой части уравнения 8 атомов калия в $8K[Al(OH)_4]$. В левой части 3 атома калия в $3KNO_3$. Следовательно, необходимо взять 5 молекул $KOH$.

$8Al + 3KNO_3 + 5KOH + H_2O \rightarrow 3NH_3 \uparrow + 8K[Al(OH)_4]$

Далее уравняем водород (H). В правой части: $3 \cdot 3$ (в $NH_3$) + $8 \cdot 4$ (в $K[Al(OH)_4]$) = $9 + 32 = 41$ атом. В левой части: 5 атомов в $5KOH$. Значит, из воды ($H_2O$) необходимо еще $41 - 5 = 36$ атомов водорода. Для этого берем 18 молекул $H_2O$.

$8Al + 3KNO_3 + 5KOH + 18H_2O \rightarrow 3NH_3 \uparrow + 8K[Al(OH)_4]$

Проверим баланс по кислороду (O). В левой части: $3 \cdot 3$ (в $KNO_3$) + 5 (в $KOH$) + 18 (в $H_2O$) = $9 + 5 + 18 = 32$ атома. В правой части: $8 \cdot 4$ (в $K[Al(OH)_4]$) = 32 атома. Баланс сходится.

Алюминий ($Al^0$) отдает электроны, его степень окисления повышается, следовательно, он является восстановителем. Азот ($N^{+5}$) в составе нитрата калия принимает электроны, его степень окисления понижается, следовательно, нитрат калия ($KNO_3$) является окислителем.

Ответ: Уравнение реакции: $8Al + 3KNO_3 + 5KOH + 18H_2O \rightarrow 3NH_3 \uparrow + 8K[Al(OH)_4]$. Окислитель — $KNO_3$ (за счет $N^{+5}$), восстановитель — $\text{Al}$.

2) Al₂S₃ + ... → Al₂(SO₄)₃ + NO₂↑ + ...

Решение

В данной реакции сера в сульфиде алюминия ($S^{-2}$) окисляется до серы в сульфате алюминия ($S^{+6}$). Алюминий не меняет свою степень окисления ($Al^{+3}$). Продуктом восстановления является диоксид азота ($NO_2$), где азот имеет степень окисления +4. Это означает, что окислителем является вещество, содержащее азот в более высокой степени окисления, как правило, азотная кислота ($HNO_3$), где степень окисления азота +5. Вода ($H_2O$) также будет продуктом этой реакции.

Схема реакции:

$Al_2S_3 + HNO_3 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + NO_2 \uparrow + H_2O$

Определим степени окисления элементов, изменяющихся в ходе реакции:

$S^{-2} \rightarrow S^{+6}$

$N^{+5} \rightarrow N^{+4}$

Составим электронный баланс. Учитываем, что в одной формульной единице $Al_2S_3$ содержится 3 атома серы.

$S^{-2} - 8e^- \rightarrow S^{+6}$ $| 3 |$ (умножаем на 3, так как в $Al_2S_3$ три атома серы; всего отдано $24e^-$)

$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ $| 24 |$

Или в виде полуреакций для веществ:

$3S^{-2} - 24e^- \rightarrow 3S^{+6}$ $| 1 |$ процесс окисления

$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ $| 24 |$ процесс восстановления

Коэффициент перед $Al_2S_3$ (и $Al_2(SO_4)_3$) равен 1, а перед $HNO_3$ (и $NO_2$) — 24. Расставим коэффициенты:

$Al_2S_3 + 24HNO_3 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 24NO_2 \uparrow + H_2O$

Уравняем водород (H). В левой части 24 атома в $24HNO_3$. Чтобы в правой части было также 24 атома водорода, необходимо взять 12 молекул $H_2O$.

$Al_2S_3 + 24HNO_3 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 24NO_2 \uparrow + 12H_2O$

Проверим баланс по кислороду (O). В левой части: $24 \cdot 3 = 72$ атома. В правой части: $3 \cdot 4$ (в $Al_2(SO_4)_3$) + $24 \cdot 2$ (в $NO_2$) + 12 (в $H_2O$) = $12 + 48 + 12 = 72$ атома. Баланс сходится.

Сульфид алюминия ($Al_2S_3$) отдает электроны (за счет $S^{-2}$), его степень окисления повышается, следовательно, он является восстановителем. Азотная кислота ($HNO_3$) принимает электроны (за счет $N^{+5}$), ее степень окисления понижается, следовательно, она является окислителем.

Ответ: Уравнение реакции: $Al_2S_3 + 24HNO_3 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 24NO_2 \uparrow + 12H_2O$. Окислитель — $HNO_3$ (за счет $N^{+5}$), восстановитель — $Al_2S_3$ (за счет $S^{-2}$).