Страница 169 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какие реакции называют окислительно-восстановительными?

Какие реакции называют окислительно-восстановительными?

Окислительно-восстановительными реакциями (сокращенно ОВР) называют химические реакции, в результате которых происходит изменение степеней окисления атомов одного или нескольких элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Это изменение происходит из-за перераспределения (перехода) электронов от одних атомов к другим.

Ключевые понятия в ОВР:

• Окисление — это процесс отдачи электронов атомом, ионом или молекулой. В результате окисления степень окисления элемента повышается.
• Восстановление — это процесс присоединения электронов атомом, ионом или молекулой. В результате восстановления степень окисления элемента понижается.
• Восстановитель — это вещество (атом, ион или молекула), которое в ходе реакции отдает электроны и при этом окисляется.
• Окислитель — это вещество (атом, ион или молекула), которое в ходе реакции присоединяет электроны и при этом восстанавливается.

Процессы окисления и восстановления всегда протекают одновременно и являются двумя сторонами единого целого. Не может быть окисления без восстановления, и наоборот.

Примером ОВР может служить реакция между цинком и раствором сульфата меди(II):

$ \overset{0}{Zn} + \overset{+2}{Cu}SO_4 \rightarrow \overset{+2}{Zn}SO_4 + \overset{0}{Cu} $

В этой реакции:

• Атом цинка ($Zn^0$) отдает два электрона, его степень окисления повышается с 0 до +2. Цинк окисляется и является восстановителем.
  Процесс окисления: $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$
• Ион меди ($Cu^{+2}$) принимает два электрона, его степень окисления понижается с +2 до 0. Ион меди восстанавливается, следовательно, сульфат меди(II) ($CuSO_4$) является окислителем.
  Процесс восстановления: $Cu^{+2} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

Ответ: Окислительно-восстановительными называют реакции, которые протекают с изменением степеней окисления химических элементов из-за перехода электронов от восстановителя (который окисляется) к окислителю (который восстанавливается).

2. Как найти степень окисления атома химического элемента по формуле его со-единения?

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисленный из предположения, что все связи в этом соединении являются ионными. Для нахождения степени окисления атома элемента в соединении необходимо следовать определенному алгоритму, основанному на нескольких правилах.

Основные правила (постулаты):

• Степень окисления атомов в простых веществах (например, $O_2$, $Fe$, $P_4$, $S_8$) всегда равна нулю.
• Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.
• Сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду этого иона.
• Высшая (максимальная положительная) степень окисления элемента, как правило, равна номеру группы в Периодической системе, в которой он находится. Низшая (минимальная отрицательная) степень окисления для неметаллов равна "номер группы минус 8".

Степени окисления некоторых элементов, которые часто принимают за постоянные:

• Металлы IА группы (щелочные металлы: $Li, Na, K$ и др.) в соединениях всегда имеют степень окисления $+1$.
• Металлы IIА группы (щелочноземельные металлы: $Mg, Ca, Ba$ и др.) и цинк ($Zn$) в соединениях всегда имеют степень окисления $+2$.
• Алюминий ($Al$) в соединениях почти всегда имеет степень окисления $+3$.
• Фтор ($F$), как самый электроотрицательный элемент, в соединениях всегда имеет степень окисления $-1$.
• Водород ($H$) в большинстве соединений имеет степень окисления $+1$. Исключение составляют гидриды активных металлов (например, $NaH$, $CaH_2$), где его степень окисления равна $-1$.
• Кислород ($O$) в большинстве соединений имеет степень окисления $-2$. Исключения: в пероксидах (например, $H_2O_2$) — $-1$; в надпероксидах (например, $KO_2$) — $-1/2$; во фториде кислорода ($OF_2$) — $+2$.

Алгоритм нахождения степени окисления:

1. Запишите химическую формулу соединения.
2. Над символами элементов, степени окисления которых известны или постоянны, проставьте их значения.
3. Обозначьте неизвестную степень окисления искомого элемента через $x$.
4. Составьте алгебраическое уравнение. Для этого умножьте степень окисления каждого элемента на число его атомов в формуле (индекс) и сложите полученные произведения.
5. Приравняйте полученную сумму к нулю (если у вас нейтральная молекула) или к заряду иона (если у вас ион).
6. Решите уравнение относительно $x$. Найденное значение и будет искомой степенью окисления.

Пример 1: Найти степень окисления марганца в перманганате калия ($KMnO_4$).

1. У калия ($K$) как у щелочного металла постоянная степень окисления $+1$. У кислорода ($O$) в большинстве соединений степень окисления $-2$. Степень окисления марганца ($Mn$) обозначим за $x$. Получаем: $K^{+1}Mn^xO_4^{-2}$.

2. Молекула $KMnO_4$ электронейтральна, значит, сумма степеней окисления всех атомов равна нулю. Составляем уравнение, учитывая количество атомов каждого элемента:
$1 \cdot (+1) + 1 \cdot x + 4 \cdot (-2) = 0$

3. Решаем уравнение:
$1 + x - 8 = 0$
$x - 7 = 0$
$x = +7$

Следовательно, степень окисления марганца в $KMnO_4$ равна $+7$.

Пример 2: Найти степень окисления фосфора в фосфат-ионе ($PO_4^{3-}$).

1. У кислорода ($O$) степень окисления $-2$. Степень окисления фосфора ($P$) обозначаем за $x$. Получаем: $P^xO_4^{-2}$.

2. Сумма степеней окисления в ионе равна его заряду, то есть $-3$. Составляем уравнение:
$1 \cdot x + 4 \cdot (-2) = -3$

3. Решаем уравнение:
$x - 8 = -3$
$x = -3 + 8$
$x = +5$

Следовательно, степень окисления фосфора в ионе $PO_4^{3-}$ равна $+5$.

Ответ: Чтобы найти степень окисления атома по формуле соединения, нужно: 1) определить известные степени окисления других элементов в формуле (например, $+1$ у $Na$, $-2$ у $O$); 2) обозначить искомую степень окисления за $x$; 3) составить уравнение, в котором сумма произведений степеней окисления на число атомов каждого элемента равна общему заряду частицы (нулю для молекулы или заряду иона для иона); 4) решить это уравнение относительно $x$.

3. Приведите формулы простых веществ, которые в химических реакциях проявляют свойства:

а) окислителя;

б) восстановителя.

Решение

Простые вещества — это вещества, состоящие из атомов одного химического элемента. В химических реакциях они могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства, в зависимости от того, с каким веществом они взаимодействуют. Степень окисления атомов в простом веществе всегда равна нулю.

а) окислителя

Свойства окислителя проявляют простые вещества, атомы которых в ходе реакции принимают электроны, понижая свою степень окисления (от 0 до отрицательного значения). Типичными окислителями являются простые вещества-неметаллы, обладающие высокой электроотрицательностью.

Примерами таких веществ служат галогены ($F_2$, $Cl_2$), кислород ($O_2$) и его аллотропная модификация озон ($O_3$), а также сера ($S$) и азот ($N_2$).

Например, в реакции с натрием хлор является окислителем:
$2\stackrel{0}{Na} + \stackrel{0}{Cl}_2 \rightarrow 2\stackrel{+1}{Na}\stackrel{-1}{Cl}$
Здесь степень окисления хлора понижается с 0 до -1, что означает, что его атомы приняли электроны.

Ответ: $F_2$, $Cl_2$, $O_2$, $S$, $N_2$.

б) восстановителя

Свойства восстановителя проявляют простые вещества, атомы которых в ходе реакции отдают электроны, повышая свою степень окисления (от 0 до положительного значения). Типичными восстановителями являются простые вещества-металлы, а также некоторые неметаллы (например, водород, углерод, фосфор) при взаимодействии с более электроотрицательными элементами.

Примерами таких веществ являются щелочные металлы ($Na$, $K$), щелочноземельные металлы ($Mg$, $Ca$), другие металлы, такие как алюминий ($Al$) и цинк ($Zn$), а также неметаллы водород ($H_2$) и углерод ($C$).

Например, в реакции с кислородом углерод является восстановителем:
$\stackrel{0}{C} + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow \stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O}_2$
Здесь степень окисления углерода повышается с 0 до +4, что означает, что его атомы отдали электроны.

Ответ: $Na$, $K$, $Mg$, $Al$, $H_2$, $C$.

4. Приведите формулы сложных веществ, которые в химических реакциях проявляют свойства:

а) окислителя;

б) восстановителя.

Решение

Окислительно-восстановительные реакции — это реакции, в ходе которых происходит изменение степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Окислитель — это вещество, принимающее электроны, при этом степень окисления его атомов понижается. Восстановитель — это вещество, отдающее электроны, при этом степень окисления его атомов повышается.

а) окислителя

Свойства окислителя проявляют сложные вещества, в состав которых входят атомы химических элементов в высшей или высокой положительной степени окисления. В ходе химической реакции такие атомы принимают электроны, и их степень окисления понижается. Типичными сложными веществами-окислителями являются:

• Перманганат калия ($KMnO_4$), где марганец имеет высшую степень окисления $+7$.
• Дихромат калия ($K_2Cr_2O_7$), где хром имеет высшую степень окисления $+6$.
• Азотная кислота ($HNO_3$), где азот имеет высшую степень окисления $+5$.
• Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$), где сера имеет высшую степень окисления $+6$.
• Хлорат калия (бертолетова соль, $KClO_3$), где хлор имеет высокую степень окисления $+5$.
• Пероксид водорода ($H_2O_2$), где кислород имеет промежуточную степень окисления $-1$ и может понижать ее до $-2$, выступая окислителем.

Пример реакции, в которой перманганат калия выступает в роли окислителя:

$2K\overset{+7}{Mn}O_4 + 16H\overset{-1}{Cl} \rightarrow 2KCl + 2\overset{+2}{Mn}Cl_2 + 5\overset{0}{Cl_2} \uparrow + 8H_2O$

В этой реакции атом марганца в составе перманганата калия понижает свою степень окисления с $+7$ до $+2$, принимая 5 электронов ($Mn^{+7} + 5e^{-} \rightarrow Mn^{+2}$), следовательно, $KMnO_4$ является окислителем.

Ответ: Примеры сложных веществ-окислителей: $KMnO_4$, $K_2Cr_2O_7$, $HNO_3$, $H_2SO_4$ (конц.), $KClO_3$.

б) восстановителя

Свойства восстановителя проявляют сложные вещества, содержащие атомы элементов в низшей или невысокой степени окисления. В ходе химической реакции эти атомы отдают электроны, и их степень окисления повышается. Типичными сложными веществами-восстановителями являются:

• Сероводород ($H_2S$) и его соли, сульфиды (например, $Na_2S$), где сера имеет низшую степень окисления $-2$.
• Аммиак ($NH_3$) и его производные (например, гидразин $N_2H_4$), где азот имеет низшую степень окисления $-3$.
• Галогеноводороды и их соли (например, $HI$, $HBr$, $HCl$, $KI$, $NaBr$), где галогены (кроме фтора) имеют низшую степень окисления $-1$.
• Сульфиты (например, $Na_2SO_3$) и оксид серы(IV) ($SO_2$), где сера имеет промежуточную степень окисления $+4$, но легко окисляется до $+6$.
• Оксид углерода(II) (угарный газ, $CO$), где углерод имеет степень окисления $+2$ и может окислиться до $+4$.

Пример реакции, в которой сероводород выступает в роли восстановителя:

$2H_2\overset{-2}{S} + 3O_2 \xrightarrow{t} 2\overset{+4}{S}O_2 + 2H_2O$

В этой реакции атом серы в составе сероводорода повышает свою степень окисления с $-2$ до $+4$, отдавая 6 электронов ($\overset{-2}{S} - 6e^{-} \rightarrow \overset{+4}{S}$), следовательно, $H_2S$ является восстановителем.

Ответ: Примеры сложных веществ-восстановителей: $H_2S$, $NH_3$, $KI$, $Na_2SO_3$, $CO$.

Важно отметить, что некоторые сложные вещества могут проявлять окислительно-восстановительную двойственность, то есть быть и окислителями, и восстановителями в зависимости от условий реакции и второго реагента. Это характерно для веществ, содержащих атомы в промежуточной степени окисления. Примерами таких веществ являются пероксид водорода ($H_2O_2$), нитриты ($KNO_2$), сульфиты ($Na_2SO_3$), оксид серы(IV) ($SO_2$).

5. Укажите схемы окислительно-восстановительных реакций. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления для выбранных вами уравнений.

а) $K_2O + H_2O \rightarrow KOH$

б) $K + H_2O \rightarrow KOH + H_2$

в) $FeCl_3 + KOH \rightarrow Fe(OH)_3 + KCl$

г) $Cu + AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + Ag$

Окислительно-восстановительными являются реакции, в ходе которых изменяются степени окисления атомов химических элементов. Такими реакциями в данном задании являются реакции под пунктами б) и г).

а) K₂O + H₂O → KOH

Решение:
Определим степени окисления элементов в реагентах и продуктах:
$\overset{+1}{\text{K}}_2\overset{-2}{\text{O}} + \overset{+1}{\text{H}}_2\overset{-2}{\text{O}} \rightarrow \overset{+1}{\text{K}}\overset{-2}{\text{O}}\overset{+1}{\text{H}}$
Степени окисления калия (K), кислорода (O) и водорода (H) не изменяются в ходе реакции. Следовательно, эта реакция не является окислительно-восстановительной.
Уравненная реакция: $K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$.

Ответ: Реакция не является окислительно-восстановительной.

б) K + H₂O → KOH + H₂

Решение:
Это окислительно-восстановительная реакция. Определим степени окисления:
$\overset{0}{\text{K}} + \overset{+1}{\text{H}}_2\overset{-2}{\text{O}} \rightarrow \overset{+1}{\text{K}}\overset{-2}{\text{O}}\overset{+1}{\text{H}} + \overset{0}{\text{H}}_2$
Атом калия (K) повышает свою степень окисления с 0 до +1, а атом водорода (H) понижает свою степень окисления с +1 до 0.
Составим электронный баланс:
$\overset{0}{\text{K}} - 1e^- \rightarrow \overset{+1}{\text{K}}$ | 2 | восстановитель, процесс окисления
$2\overset{+1}{\text{H}} + 2e^- \rightarrow \overset{0}{\text{H}}_2$ | 1 | окислитель, процесс восстановления
Расставляем коэффициенты в уравнении:
$2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2$
Калий (K) является восстановителем, так как отдает электроны (окисляется).
Водород в составе воды ($H_2O$) является окислителем, так как принимает электроны (восстанавливается).

Ответ: Уравнение реакции: $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2$. Калий (K) — восстановитель (процесс окисления), вода ($H_2O$, за счет $H^{+1}$) — окислитель (процесс восстановления).

в) FeCl₃ + KOH → Fe(OH)₃ + KCl

Решение:
Определим степени окисления элементов:
$\overset{+3}{\text{Fe}}\overset{-1}{\text{Cl}}_3 + \overset{+1}{\text{K}}\overset{-2}{\text{O}}\overset{+1}{\text{H}} \rightarrow \overset{+3}{\text{Fe}}(\overset{-2}{\text{O}}\overset{+1}{\text{H}})_3 + \overset{+1}{\text{K}}\overset{-1}{\text{Cl}}$
Степени окисления железа (Fe), хлора (Cl), калия (K), кислорода (O) и водорода (H) не изменяются. Это реакция ионного обмена, она не является окислительно-восстановительной.
Уравненная реакция: $FeCl_3 + 3KOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3KCl$.

Ответ: Реакция не является окислительно-восстановительной.

г) Cu + AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + Ag

Решение:
Это окислительно-восстановительная реакция. Определим степени окисления:
$\overset{0}{\text{Cu}} + \overset{+1}{\text{Ag}}\overset{+5}{\text{N}}\overset{-2}{\text{O}}_3 \rightarrow \overset{+2}{\text{Cu}}(\overset{+5}{\text{N}}\overset{-2}{\text{O}}_3)_2 + \overset{0}{\text{Ag}}$
Атом меди (Cu) повышает свою степень окисления с 0 до +2, а ион серебра (Ag) понижает свою степень окисления с +1 до 0.
Составим электронный баланс:
$\overset{0}{\text{Cu}} - 2e^- \rightarrow \overset{+2}{\text{Cu}}$ | 1 | восстановитель, процесс окисления
$\overset{+1}{\text{Ag}} + 1e^- \rightarrow \overset{0}{\text{Ag}}$ | 2 | окислитель, процесс восстановления
Расставляем коэффициенты в уравнении:
$Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag$
Медь (Cu) является восстановителем, так как отдает электроны (окисляется).
Нитрат серебра ($AgNO_3$) является окислителем (за счет иона $Ag^{+1}$), так как принимает электроны (восстанавливается).

Ответ: Уравнение реакции: $Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag$. Медь (Cu) — восстановитель (процесс окисления), нитрат серебра ($AgNO_3$, за счет $Ag^{+1}$) — окислитель (процесс восстановления).

6. Определите, в каких схемах имеет место процесс окисления, в каких — восстановления. Укажите число отданных и принятых электронов.

а) $2\overset{+1}{\text{H}} \to \overset{0}{\text{H}_2}$;

б) $\overset{0}{\text{P}} \to \overset{+5}{\text{P}}$;

в) $\overset{2}{\text{S}} \to \overset{+4}{\text{S}}$;

г) $\overset{+6}{\text{Cr}} \to \overset{+3}{\text{Cr}}$;

д) $\overset{-3}{\text{N}} \to \overset{+2}{\text{N}}$;

е) $\overset{+3}{\text{Fe}} \to \overset{+2}{\text{Fe}}$;

ж) $2\overset{-1}{\text{Cl}} \to \overset{0}{\text{Cl}_2}$.

Дано:
а) $2\stackrel{+1}{\text{H}} \rightarrow \stackrel{0}{\text{H}}_2$
б) $\stackrel{0}{\text{P}} \rightarrow \stackrel{+5}{\text{P}}$
в) $\stackrel{-2}{\text{S}} \rightarrow \stackrel{+4}{\text{S}}$
г) $\stackrel{+6}{\text{Cr}} \rightarrow \stackrel{+3}{\text{Cr}}$
д) $\stackrel{-3}{\text{N}} \rightarrow \stackrel{+2}{\text{N}}$
е) $\stackrel{+3}{\text{Fe}} \rightarrow \stackrel{+2}{\text{Fe}}$
ж) $2\stackrel{-1}{\text{Cl}} \rightarrow \stackrel{0}{\text{Cl}}_2$

Найти:
Для каждой схемы определить, является ли процесс окислением или восстановлением, и указать число отданных или принятых электронов.

Решение:

Процесс, в ходе которого атом, ион или молекула теряет электроны, называется окислением. При этом степень окисления элемента повышается. Процесс, в ходе которого атом, ион или молекула присоединяет электроны, называется восстановлением. При этом степень окисления элемента понижается.

а) В схеме $2\stackrel{+1}{\text{H}} \rightarrow \stackrel{0}{\text{H}}_2$ степень окисления водорода понижается с $+1$ до $0$. Это означает, что каждый атом водорода принимает один электрон. Так как в процессе участвуют два атома водорода, общее число принятых электронов равно $2$. Процесс понижения степени окисления является восстановлением.
Ответ: Процесс восстановления; принято 2 электрона.

б) В схеме $\stackrel{0}{\text{P}} \rightarrow \stackrel{+5}{\text{P}}$ степень окисления фосфора повышается с $0$ до $+5$. Это означает, что атом фосфора отдает $5$ электронов. Процесс повышения степени окисления является окислением.
Ответ: Процесс окисления; отдано 5 электронов.

в) В схеме $\stackrel{-2}{\text{S}} \rightarrow \stackrel{+4}{\text{S}}$ степень окисления серы повышается с $-2$ до $+4$. Это означает, что атом серы отдает $4 - (-2) = 6$ электронов. Процесс повышения степени окисления является окислением.
Ответ: Процесс окисления; отдано 6 электронов.

г) В схеме $\stackrel{+6}{\text{Cr}} \rightarrow \stackrel{+3}{\text{Cr}}$ степень окисления хрома понижается с $+6$ до $+3$. Это означает, что атом хрома принимает $6 - 3 = 3$ электрона. Процесс понижения степени окисления является восстановлением.
Ответ: Процесс восстановления; принято 3 электрона.

д) В схеме $\stackrel{-3}{\text{N}} \rightarrow \stackrel{+2}{\text{N}}$ степень окисления азота повышается с $-3$ до $+2$. Это означает, что атом азота отдает $2 - (-3) = 5$ электронов. Процесс повышения степени окисления является окислением.
Ответ: Процесс окисления; отдано 5 электронов.

е) В схеме $\stackrel{+3}{\text{Fe}} \rightarrow \stackrel{+2}{\text{Fe}}$ степень окисления железа понижается с $+3$ до $+2$. Это означает, что атом железа принимает $3 - 2 = 1$ электрон. Процесс понижения степени окисления является восстановлением.
Ответ: Процесс восстановления; принят 1 электрон.

ж) В схеме $2\stackrel{-1}{\text{Cl}} \rightarrow \stackrel{0}{\text{Cl}}_2$ степень окисления хлора повышается с $-1$ до $0$. Это означает, что каждый атом хлора отдает один электрон. Так как в процессе участвуют два атома хлора, общее число отданных электронов равно $2$. Процесс повышения степени окисления является окислением.
Ответ: Процесс окисления; отдано 2 электрона.

7. Используя метод электронного баланса, составьте уравнения реакций, соответствующие следующим схемам превращений:

a) $CuO + NH_3 \rightarrow Cu + N_2 + H_2O$

б) $HCl + MnO_2 \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + H_2O$

в) $Si + NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2$

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

Определите окислители и восстановители.

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:
$C\overset{+2}{u}\overset{-2}{O} + \overset{-3}{N}H_3 \rightarrow \overset{0}{Cu} + \overset{0}{N_2} + H_2O$

Медь понижает свою степень окисления с +2 до 0, следовательно, оксид меди(II) является окислителем. Азот повышает свою степень окисления с -3 до 0, следовательно, аммиак является восстановителем.

Составим электронный баланс:

$Cu^{+2} + 2e^- \rightarrow Cu^0$ | 3 | процесс восстановления

$2N^{-3} - 6e^- \rightarrow N_2^0$ | 1 | процесс окисления

Наименьшее общее кратное для отданных и принятых электронов (6 и 2) равно 6. Разделив его на число электронов в полуреакциях, находим коэффициенты: 3 для меди и 1 для молекулярного азота (что соответствует 2 молекулам аммиака).

Расставим коэффициенты перед веществами, содержащими эти элементы:

$3CuO + 2NH_3 \rightarrow 3Cu + N_2 + H_2O$

Последний шаг — уравнять количество атомов водорода и кислорода. Слева 6 атомов водорода, справа 2, значит, перед водой ставим коэффициент 3. Проверяем кислород: слева 3 атома, справа 3. Уравнение составлено верно.

Ответ:$3CuO + 2NH_3 \rightarrow 3Cu + N_2 + 3H_2O$. Окислитель — $CuO$ (за счет $Cu^{+2}$), восстановитель — $NH_3$ (за счет $N^{-3}$).

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:
$H\overset{-1}{Cl} + \overset{+4}{Mn}O_2 \rightarrow Mn\overset{-1}{Cl_2} + \overset{0}{Cl_2} + H_2O$

Марганец понижает свою степень окисления с +4 до +2, следовательно, диоксид марганца является окислителем. Хлор повышает свою степень окисления с -1 до 0, следовательно, соляная кислота является восстановителем. Часть атомов хлора не меняет степень окисления, переходя в состав $MnCl_2$.

Составим электронный баланс:

$Mn^{+4} + 2e^- \rightarrow Mn^{+2}$ | 1 | процесс восстановления

$2Cl^{-1} - 2e^- \rightarrow Cl_2^0$ | 1 | процесс окисления

Коэффициенты в балансе равны 1. Ставим их перед соответствующими веществами: 1 перед $MnO_2$, 1 перед $MnCl_2$, 1 перед $Cl_2$.

$HCl + 1MnO_2 \rightarrow 1MnCl_2 + 1Cl_2 + H_2O$

Теперь уравняем общее количество атомов хлора. Справа их 2 + 2 = 4. Следовательно, перед $HCl$ нужно поставить коэффициент 4.

$4HCl + MnO_2 \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + H_2O$

Наконец, уравняем водород. Слева 4 атома, значит, справа нужно 2 молекулы воды. Проверяем кислород: слева 2 атома, справа 2. Уравнение составлено верно.

Ответ:$4HCl + MnO_2 \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + 2H_2O$. Окислитель — $MnO_2$ (за счет $Mn^{+4}$), восстановитель — $HCl$ (за счет $Cl^{-1}$).

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:
$\overset{0}{Si} + NaOH + H_2O \rightarrow Na_2\overset{+4}{Si}O_3 + \overset{0}{H_2}$

Кремний повышает свою степень окисления с 0 до +4, следовательно, является восстановителем. Водород понижает свою степень окисления с +1 (в воде и гидроксиде натрия) до 0, следовательно, вода (и $NaOH$) является окислителем.

Составим электронный баланс:

$Si^0 - 4e^- \rightarrow Si^{+4}$ | 1 | процесс окисления

$2H^{+1} + 2e^- \rightarrow H_2^0$ | 2 | процесс восстановления

Из баланса следует, что на 1 атом кремния должно приходиться 2 молекулы водорода.

$1Si + NaOH + H_2O \rightarrow 1Na_2SiO_3 + 2H_2$

Теперь уравняем остальные атомы. Справа 2 атома натрия, значит, слева нужно 2 молекулы $NaOH$.

$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2$

Проверяем водород и кислород. Слева: 2 H (в $NaOH$) + 2 H (в $H_2O$) = 4 H; 2 O (в $NaOH$) + 1 O (в $H_2O$) = 3 O. Справа: 4 H (в $2H_2$); 3 O (в $Na_2SiO_3$). Все атомы уравнены.

Ответ:$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2$. Окислитель — $H_2O$ (за счет $H^{+1}$), восстановитель — $Si$ (за счет $Si^0$).

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:
$\overset{0}{Cu} + H\overset{+5}{N}O_3 \rightarrow \overset{+2}{Cu}(NO_3)_2 + \overset{+2}{N}O + H_2O$

Медь повышает свою степень окисления с 0 до +2, следовательно, является восстановителем. Азот понижает свою степень окисления с +5 до +2, следовательно, азотная кислота является окислителем. Часть атомов азота не меняет степень окисления, переходя в состав нитрата меди(II).

Составим электронный баланс:

$Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{+2}$ | 3 | процесс окисления

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

Из баланса находим коэффициенты: 3 для меди и 2 для азота, изменившего степень окисления.

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

Теперь уравняем общее количество атомов азота. Справа в $3Cu(NO_3)_2$ их $3 \cdot 2 = 6$, и еще 2 в $2NO$. Итого 8 атомов азота. Следовательно, перед $HNO_3$ нужен коэффициент 8.

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

Уравняем водород. Слева 8 атомов, значит, справа нужно 4 молекулы воды. Проверяем кислород: слева $8 \cdot 3 = 24$ атома. Справа: $3 \cdot 2 \cdot 3 + 2 + 4 = 18 + 2 + 4 = 24$. Уравнение составлено верно.

Ответ:$3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$. Окислитель — $HNO_3$ (за счет $N^{+5}$), восстановитель — $Cu$ (за счет $Cu^0$).

8. Укажите коэффициент перед формулой восстановителя в уравнении окислительно-восстановительной реакции, схема которой

$NH_3 + O_2 \to N_2 + H_2O$

Дано:

Схема окислительно-восстановительной реакции: $NH_3 + O_2 \rightarrow N_2 + H_2O$

Найти:

Коэффициент перед формулой восстановителя.

Решение:

Для решения задачи необходимо сначала определить, какое вещество является восстановителем, а затем уравнять реакцию, чтобы найти стехиометрический коэффициент перед ним.

1. Определим степени окисления всех элементов в реагентах и продуктах:

$ \stackrel{-3}{N} \stackrel{+1}{H}_3 + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow \stackrel{0}{N}_2 + \stackrel{+1}{H}_2 \stackrel{-2}{O} $

2. Проанализируем изменение степеней окисления:

• Азот (N) изменил свою степень окисления с -3 до 0. Степень окисления повысилась, значит, атом азота отдал электроны (окислился).
• Кислород (O) изменил свою степень окисления с 0 до -2. Степень окисления понизилась, значит, атом кислорода принял электроны (восстановился).

3. Определим окислитель и восстановитель.

• Восстановитель – это вещество, содержащее атом, который отдает электроны (окисляется). В данном случае восстановителем является аммиак ($NH_3$).
• Окислитель – это вещество, содержащее атом, который принимает электроны (восстанавливается). Окислителем является кислород ($O_2$).

4. Составим электронный баланс для уравнивания реакции.

Процесс окисления (азот): $2\stackrel{-3}{N} - 6e^- \rightarrow \stackrel{0}{N}_2$ (учитываем, что в продуктах образуется молекула $N_2$)

Процесс восстановления (кислород): $\stackrel{0}{O}_2 + 4e^- \rightarrow 2\stackrel{-2}{O}$ (учитываем, что в реагентах молекула $O_2$)

5. Находим наименьшее общее кратное (НОК) для числа отданных (6) и принятых (4) электронов. НОК(6, 4) = 12.

Находим дополнительные множители для полуреакций, разделив НОК на число электронов в каждой из них:

$ 2\stackrel{-3}{N} - 6e^- \rightarrow \stackrel{0}{N}_2 $ | $ \times 2 $ (множитель 2 относится к $NH_3$ и $N_2$)

$ \stackrel{0}{O}_2 + 4e^- \rightarrow 2\stackrel{-2}{O} $ | $ \times 3 $ (множитель 3 относится к $O_2$ и $H_2O$)

6. Расставляем коэффициенты в уравнении реакции. Коэффициент перед $NH_3$ будет $2 \times 2 = 4$. Коэффициент перед $O_2$ будет 3. Коэффициент перед $N_2$ будет 2.

$ 4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + H_2O $

7. Уравниваем количество атомов водорода. Слева $4 \times 3 = 12$ атомов H. Чтобы получить 12 атомов H справа, ставим коэффициент 6 перед $H_2O$ ($6 \times 2 = 12$).

Итоговое уравнение:

$ 4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O $

Проверяем кислород: слева $3 \times 2 = 6$, справа $6 \times 1 = 6$. Реакция уравнена.

Восстановителем является $NH_3$, и коэффициент перед его формулой в уравнении равен 4.

Ответ: 4

9. В какой из реакций сера выполняет роль восстановителя, а в какой — окислителя?

а) $S + Al \rightarrow Al_2S_3$

б) $S + HNO_3 \rightarrow SO_2 + NO_2 + H_2O$

Составьте уравнения реакций, используя метод электронного баланса.

Для того чтобы определить, какую роль (окислителя или восстановителя) выполняет сера в предложенных реакциях, необходимо проанализировать изменение степеней окисления атомов в ходе каждой реакции. Восстановитель — это атом, молекула или ион, который отдает электроны в ходе окислительно-восстановительной реакции, при этом его степень окисления повышается. Окислитель — это атом, молекула или ион, который принимает электроны, при этом его степень окисления понижается.

а) Решение
Рассмотрим реакцию взаимодействия серы и алюминия: $S + Al \rightarrow Al_2S_3$.
1. Определим степени окисления элементов до и после реакции. Сера ($S$) и алюминий ($Al$) в левой части уравнения являются простыми веществами, поэтому их степени окисления равны 0. В продукте реакции, сульфиде алюминия ($Al_2S_3$), алюминий как металл III группы имеет степень окисления +3, а сера, соответственно, -2.
Схема изменения степеней окисления: $S^0 + Al^0 \rightarrow Al_2^{+3}S_3^{-2}$.
2. Сера изменила свою степень окисления с 0 до -2 ($S^0 \rightarrow S^{-2}$). Это означает, что атом серы принял 2 электрона. Процесс присоединения электронов называется восстановлением. Вещество, атомы которого принимают электроны, является окислителем.
Алюминий, в свою очередь, изменил степень окисления с 0 до +3 ($Al^0 \rightarrow Al^{+3}$), отдав 3 электрона. Он является восстановителем.
3. Составим электронный баланс, чтобы уравнять число отданных и принятых электронов и найти коэффициенты.
$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ | 2 (процесс окисления)
$S^0 + 2e^- \rightarrow S^{-2}$ | 3 (процесс восстановления)
Наименьшее общее кратное для чисел электронов (3 и 2) равно 6. Таким образом, коэффициент для алюминия будет 2, а для серы — 3.
4. Запишем итоговое уравнение реакции:
$3S + 2Al \rightarrow Al_2S_3$

Ответ: в реакции а) сера является окислителем. Уравнение реакции: $3S + 2Al \rightarrow Al_2S_3$.

б) Решение
Рассмотрим реакцию взаимодействия серы с азотной кислотой: $S + HNO_3 \rightarrow SO_2 + NO_2 + H_2O$.
1. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют. Сера ($S$) как простое вещество имеет степень окисления 0. В продукте реакции, диоксиде серы ($SO_2$), степень окисления серы равна +4. Азот в азотной кислоте ($HNO_3$) имеет степень окисления +5, а в продукте реакции, диоксиде азота ($NO_2$), его степень окисления равна +4.
Схема изменения степеней окисления: $S^0 + H^{+1}N^{+5}O_3^{-2} \rightarrow S^{+4}O_2^{-2} + N^{+4}O_2^{-2} + H_2O$.
2. Сера изменила свою степень окисления с 0 до +4 ($S^0 \rightarrow S^{+4}$). Это означает, что атом серы отдал 4 электрона. Процесс отдачи электронов называется окислением. Вещество, атомы которого отдают электроны, является восстановителем.
Азот изменил степень окисления с +5 до +4 ($N^{+5} \rightarrow N^{+4}$), приняв 1 электрон. Азотная кислота ($HNO_3$) является окислителем.
3. Составим электронный баланс:
$S^0 - 4e^- \rightarrow S^{+4}$ | 1 (процесс окисления)
$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ | 4 (процесс восстановления)
Наименьшее общее кратное для чисел электронов (4 и 1) равно 4. Коэффициент для серы (и $SO_2$) будет 1, а для азота (в $HNO_3$ и $NO_2$) — 4.
4. Подставим коэффициенты в уравнение и уравняем остальные элементы (водород и кислород):
$S + 4HNO_3 \rightarrow SO_2 + 4NO_2 + H_2O$
Слева находятся 4 атома водорода (в $4HNO_3$), значит справа перед $H_2O$ нужно поставить коэффициент 2, чтобы получить 4 атома водорода. $S + 4HNO_3 \rightarrow SO_2 + 4NO_2 + 2H_2O$
Проверим баланс атомов кислорода. Слева: $4 \times 3 = 12$. Справа: $2 + (4 \times 2) + 2 = 2 + 8 + 2 = 12$. Баланс достигнут.

Ответ: в реакции б) сера является восстановителем. Уравнение реакции: $S + 4HNO_3 \rightarrow SO_2 + 4NO_2 + 2H_2O$.

10. Укажите формулы веществ, которые в химических реакциях могут быть только окислителями, только восстановителями, а также проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства:

а) $F_2$;

б) $Ca$;

в) $HNO_3$;

г) $P$;

д) $SO_2$.

Приведите аргументы.

Окислительно-восстановительные свойства вещества определяются степенью окисления (с.о.) элемента в его составе. Вещество может быть только окислителем, если его атом находится в высшей степени окисления. Вещество может быть только восстановителем, если его атом находится в низшей степени окисления. Если атом находится в промежуточной степени окисления, вещество может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

а) F₂

Фтор ($F_2$) — это простое вещество, поэтому степень окисления атома фтора в нем равна 0. Фтор является самым электроотрицательным химическим элементом, поэтому в соединениях он проявляет только отрицательную степень окисления, равную -1. Так как атом фтора может только понижать свою степень окисления (с 0 до -1), принимая электроны, фтор $F_2$ в химических реакциях может быть только окислителем. Например, в реакции с водородом: $H_2^0 + F_2^0 \rightarrow 2H^{+1}F^{-1}$.

Ответ: только окислитель.

б) Ca

Кальций ($Ca$) — это простое вещество, щелочноземельный металл, его степень окисления равна 0. В соединениях кальций всегда проявляет постоянную степень окисления +2. Следовательно, атом кальция может только повышать свою степень окисления (с 0 до +2), отдавая электроны. Таким образом, металлический кальций в химических реакциях может быть только восстановителем. Например, в реакции с кислородом: $2Ca^0 + O_2^0 \rightarrow 2Ca^{+2}O^{-2}$.

Ответ: только восстановитель.

в) HNO₃

В азотной кислоте ($HNO_3$) степени окисления водорода +1, а кислорода -2. Степень окисления азота составляет $+5$ ($+1 + x + 3 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x = +5$). Для азота, который находится в V группе Периодической системы, степень окисления $+5$ является высшей. Атом в высшей степени окисления не может отдавать электроны и повышать ее, он может только принимать электроны, понижая свою степень окисления. Следовательно, азотная кислота (за счет атома $N^{+5}$) может быть только окислителем. Например: $Cu^0 + 4HN^{+5}O_3(конц.) \rightarrow Cu^{+2}(NO_3)_2 + 2N^{+4}O_2 + 2H_2O$.

Ответ: только окислитель.

г) P

Фосфор ($P$) — это простое вещество, его степень окисления равна 0. Фосфор находится в V группе, и его возможные степени окисления варьируются от низшей -3 (например, в фосфидах) до высшей +5 (например, в $P_2O_5$). Степень окисления 0 является промежуточной. Поэтому фосфор может как повышать свою степень окисления, выступая восстановителем (отдавая электроны), так и понижать ее, выступая окислителем (принимая электроны).
Пример как восстановителя: $4P^0 + 5O_2 \rightarrow 2P_2^{+5}O_5$.
Пример как окислителя: $2P^0 + 3Ca \rightarrow Ca_3P_2^{-3}$.

Ответ: проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства.

д) SO₂

В диоксиде серы ($SO_2$) степень окисления кислорода -2, следовательно, степень окисления серы равна $+4$ ($x + 2 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x = +4$). Сера находится в VI группе, и ее степени окисления могут изменяться от низшей -2 (в сульфидах) до высшей +6 (в $SO_3$, $H_2SO_4$). Степень окисления $+4$ является промежуточной. Поэтому атом серы в $SO_2$ может как отдавать электроны, повышая с.о. до +6 (проявляя свойства восстановителя), так и принимать электроны, понижая с.о. до 0 или -2 (проявляя свойства окислителя).
Пример как восстановителя: $2S^{+4}O_2 + O_2 \rightarrow 2S^{+6}O_3$.
Пример как окислителя: $S^{+4}O_2 + 2H_2S^{-2} \rightarrow 3S^0 \downarrow + 2H_2O$.

Ответ: проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства.