Страница 91 - гдз по химии 8 класс задачник Кузнецова, Левкин

7-37. По данным схемам превращения веществ составьте схему перехода электронов для элементов, у которых изменяются степени окисления.

а) $H_2SO_4 \rightarrow SO_2$

$KNO_3 \rightarrow KNO_2$

$CH_4 \rightarrow CO_2$

$KNO_3 \rightarrow O_2$

$HCl \rightarrow Cl_2$

б) $HNO_3 \rightarrow NO$

$NaClO_3 \rightarrow NaCl$

$ZnS \rightarrow SO_2$

$NaClO_3 \rightarrow O_2$

$I_2 \rightarrow KIO_3$

в) $H_2O_2 \rightarrow H_2O$

$H_2O_2 \rightarrow O_2$

$HNO_3 \rightarrow N_2$

$HNO_3 \rightarrow N_2O$

$K_2Cr_2O_7 \rightarrow CrCl_3$

г) $NaMnO_4 \rightarrow MnCl_2$

$KMnO_4 \rightarrow MnSO_4$

$K_2MnO_4 \rightarrow MnO_2$

$NH_3 \rightarrow NO$

$NH_3 \rightarrow N_2$

а) В переходе $H_2SO_4 \rightarrow SO_2$ степень окисления серы изменяется с $+6$ на $+4$. Атом серы принимает 2 электрона (восстановление).

Ответ: $S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4}$

В переходе $KNO_3 \rightarrow KNO_2$ степень окисления азота изменяется с $+5$ на $+3$. Атом азота принимает 2 электрона (восстановление).

Ответ: $N^{+5} + 2e^- \rightarrow N^{+3}$

В переходе $CH_4 \rightarrow CO_2$ степень окисления углерода изменяется с $-4$ на $+4$. Атом углерода отдает 8 электронов (окисление).

Ответ: $C^{-4} - 8e^- \rightarrow C^{+4}$

В переходе $KNO_3 \rightarrow O_2$ степень окисления кислорода изменяется с $-2$ на $0$. Каждый атом кислорода отдает 2 электрона (окисление).

Ответ: $2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^{0}$

В переходе $HCl \rightarrow Cl_2$ степень окисления хлора изменяется с $-1$ на $0$. Каждый атом хлора отдает 1 электрон (окисление).

Ответ: $2Cl^{-1} - 2e^- \rightarrow Cl_2^{0}$

б) В переходе $HNO_3 \rightarrow NO$ степень окисления азота изменяется с $+5$ на $+2$. Атом азота принимает 3 электрона (восстановление).

Ответ: $N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2}$

В переходе $NaClO_3 \rightarrow NaCl$ степень окисления хлора изменяется с $+5$ на $-1$. Атом хлора принимает 6 электронов (восстановление).

Ответ: $Cl^{+5} + 6e^- \rightarrow Cl^{-1}$

В переходе $ZnS \rightarrow SO_2$ степень окисления серы изменяется с $-2$ на $+4$. Атом серы отдает 6 электронов (окисление).

Ответ: $S^{-2} - 6e^- \rightarrow S^{+4}$

В переходе $NaClO_3 \rightarrow O_2$ степень окисления кислорода изменяется с $-2$ на $0$. Каждый атом кислорода отдает 2 электрона (окисление).

Ответ: $2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^{0}$

В переходе $I_2 \rightarrow KIO_3$ степень окисления иода изменяется с $0$ на $+5$. Каждый атом иода отдает 5 электронов (окисление).

Ответ: $I_2^{0} - 10e^- \rightarrow 2I^{+5}$

в) В переходе $H_2O_2 \rightarrow H_2O$ степень окисления кислорода изменяется с $-1$ на $-2$. Атом кислорода принимает 1 электрон (восстановление).

Ответ: $O^{-1} + 1e^- \rightarrow O^{-2}$ (или для двух атомов: $2O^{-1} + 2e^- \rightarrow 2O^{-2}$)

В переходе $H_2O_2 \rightarrow O_2$ степень окисления кислорода изменяется с $-1$ на $0$. Каждый атом кислорода отдает 1 электрон (окисление).

Ответ: $2O^{-1} - 2e^- \rightarrow O_2^{0}$

В переходе $HNO_3 \rightarrow N_2$ степень окисления азота изменяется с $+5$ на $0$. Каждый атом азота принимает 5 электронов (восстановление).

Ответ: $2N^{+5} + 10e^- \rightarrow N_2^{0}$

В переходе $HNO_3 \rightarrow N_2O$ степень окисления азота изменяется с $+5$ на $+1$. Каждый атом азота принимает 4 электрона (восстановление).

Ответ: $2N^{+5} + 8e^- \rightarrow 2N^{+1}$

В переходе $K_2Cr_2O_7 \rightarrow CrCl_3$ степень окисления хрома изменяется с $+6$ на $+3$. Каждый атом хрома принимает 3 электрона (восстановление).

Ответ: $Cr_2^{+6} + 6e^- \rightarrow 2Cr^{+3}$

г) В переходе $NaMnO_4 \rightarrow MnCl_2$ степень окисления марганца изменяется с $+7$ на $+2$. Атом марганца принимает 5 электронов (восстановление).

Ответ: $Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$

В переходе $KMnO_4 \rightarrow MnSO_4$ степень окисления марганца изменяется с $+7$ на $+2$. Атом марганца принимает 5 электронов (восстановление).

Ответ: $Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$

В переходе $K_2MnO_4 \rightarrow MnO_2$ степень окисления марганца изменяется с $+6$ на $+4$. Атом марганца принимает 2 электрона (восстановление).

Ответ: $Mn^{+6} + 2e^- \rightarrow Mn^{+4}$

В переходе $NH_3 \rightarrow NO$ степень окисления азота изменяется с $-3$ на $+2$. Атом азота отдает 5 электронов (окисление).

Ответ: $N^{-3} - 5e^- \rightarrow N^{+2}$

В переходе $NH_3 \rightarrow N_2$ степень окисления азота изменяется с $-3$ на $0$. Каждый атом азота отдает 3 электрона (окисление).

Ответ: $2N^{-3} - 6e^- \rightarrow N_2^{0}$

7-38. По данным схемам составьте схемы электронного баланса и уравнения окислительно-восстановительных реакций:

а) $Al + CuO \rightarrow Cu + Al_2O_3$

б) $NH_3 + O_2 \rightarrow NO + H_2O$

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

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

а) Al + CuO → Cu + Al₂O₃

Определим степени окисления элементов до и после реакции. Алюминий как простое вещество имеет степень окисления $Al^{0}$, а в соединении $Al_{2}O_{3}$ его степень окисления $Al^{+3}$. Медь в оксиде $CuO$ имеет степень окисления $Cu^{+2}$, а как простое вещество — $Cu^{0}$.

Алюминий повышает свою степень окисления (окисляется), являясь восстановителем. Медь понижает свою степень окисления (восстанавливается), ион меди $Cu^{+2}$ является окислителем.

Составим схему электронного баланса:

$Al^{0} - 3e^{-} \rightarrow Al^{+3}$ | 2 | восстановитель, процесс окисления
$Cu^{+2} + 2e^{-} \rightarrow Cu^{0}$ | 3 | окислитель, процесс восстановления

Наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (3 и 2) равно 6. Поэтому первую полуреакцию умножаем на 2, а вторую на 3. Эти множители являются коэффициентами в уравнении реакции.

Ответ: $2Al + 3CuO \rightarrow Al_{2}O_{3} + 3Cu$

б) NH₃ + O₂ → NO + H₂O

Определим степени окисления. Азот в аммиаке ($NH_{3}$) имеет степень окисления $N^{-3}$, а в оксиде азота(II) ($NO$) — $N^{+2}$. Кислород как простое вещество ($O_{2}$) имеет степень окисления $O^{0}$, а в соединениях ($NO$ и $H_{2}O$) — $O^{-2}$.

Азот окисляется (восстановитель), а кислород восстанавливается (окислитель).

Составим схему электронного баланса:

$N^{-3} - 5e^{-} \rightarrow N^{+2}$ | 4 | восстановитель, процесс окисления
$O_{2}^{0} + 4e^{-} \rightarrow 2O^{-2}$ | 5 | окислитель, процесс восстановления

Наименьшее общее кратное для 5 и 4 равно 20. Умножаем первую полуреакцию на 4, а вторую на 5. Расставляем коэффициенты в уравнении: 4 перед $NH_{3}$ и $NO$, 5 перед $O_{2}$. Затем уравниваем водород, ставя коэффициент 6 перед $H_{2}O$.

Ответ: $4NH_{3} + 5O_{2} \rightarrow 4NO + 6H_{2}O$

в) MnO₂ + HCl → MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

Определим степени окисления. Марганец в диоксиде ($MnO_{2}$) имеет степень окисления $Mn^{+4}$, а в хлориде марганца(II) ($MnCl_{2}$) — $Mn^{+2}$. Хлор в соляной кислоте ($HCl$) имеет степень окисления $Cl^{-1}$, а в простом веществе ($Cl_{2}$) — $Cl^{0}$. Часть ионов хлора не меняет степень окисления, входя в состав $MnCl_{2}$.

Марганец восстанавливается (окислитель), а часть ионов хлора окисляется (восстановитель).

Составим схему электронного баланса:

$Mn^{+4} + 2e^{-} \rightarrow Mn^{+2}$ | 1 | окислитель, процесс восстановления
$2Cl^{-1} - 2e^{-} \rightarrow Cl_{2}^{0}$ | 1 | восстановитель, процесс окисления

Число отданных и принятых электронов равно 2, поэтому коэффициенты перед марганцем и молекулярным хлором равны 1. Чтобы уравнять хлор, нужно 4 молекулы $HCl$ (2 на образование $MnCl_{2}$ и 2 на образование $Cl_{2}$). Затем уравниваем водород и кислород, ставя коэффициент 2 перед $H_{2}O$.

Ответ: $MnO_{2} + 4HCl \rightarrow MnCl_{2} + Cl_{2} + 2H_{2}O$

г) HNO₃ + Cu → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

Определим степени окисления. Медь как простое вещество имеет степень окисления $Cu^{0}$, а в нитрате меди(II) ($Cu(NO_{3})_{2}$) — $Cu^{+2}$. Азот в азотной кислоте ($HNO_{3}$) имеет степень окисления $N^{+5}$, а в оксиде азота(II) ($NO$) — $N^{+2}$. Часть ионов азота не меняет степень окисления, входя в состав $Cu(NO_{3})_{2}$.

Медь окисляется (восстановитель), а азот восстанавливается (окислитель).

Составим схему электронного баланса:

$Cu^{0} - 2e^{-} \rightarrow Cu^{+2}$ | 3 | восстановитель, процесс окисления
$N^{+5} + 3e^{-} \rightarrow N^{+2}$ | 2 | окислитель, процесс восстановления

Наименьшее общее кратное для 2 и 3 равно 6. Умножаем первую полуреакцию на 3, вторую на 2. Ставим коэффициент 3 перед $Cu$ и $Cu(NO_{3})_{2}$, и коэффициент 2 перед $NO$. Теперь считаем общее количество атомов азота в правой части: $3 \cdot 2 + 2 = 8$. Ставим коэффициент 8 перед $HNO_{3}$. Наконец, уравниваем водород, ставя коэффициент 4 перед $H_{2}O$.

Ответ: $3Cu + 8HNO_{3} \rightarrow 3Cu(NO_{3})_{2} + 2NO + 4H_{2}O$

7-39. По данным схемам составьте схемы электронного баланса и уравнения окислительно-восстановительных реакций:

а) $PbO_2 + Al \rightarrow Al_2O_3 + Pb$

б) $H_2S + O_2 \rightarrow S + H_2O$

в) $KClO_3 + S \rightarrow SO_2 + KCl$

г) $H_2SO_4 + Na \rightarrow Na_2SO_4 + H_2S + H_2O$

а)

Решение.

Рассмотрим схему реакции: $PbO_2 + Al \rightarrow Al_2O_3 + Pb$.

Определим степени окисления элементов до и после реакции:

$ \stackrel{+4}{Pb} \stackrel{-2}{O_2} + \stackrel{0}{Al} \rightarrow \stackrel{+3}{Al_2} \stackrel{-2}{O_3} + \stackrel{0}{Pb} $

Свинец ($Pb$) понижает свою степень окисления с +4 до 0, следовательно, он является окислителем и подвергается восстановлению. Алюминий ($Al$) повышает свою степень окисления с 0 до +3, следовательно, он является восстановителем и подвергается окислению.

Составим схему электронного баланса:

Наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (4 и 3) равно 12. Поэтому первый процесс домножаем на 3, а второй — на 4. Эти числа являются коэффициентами для соответствующих веществ в уравнении.

Расставим коэффициенты и получим уравнение реакции:

$3PbO_2 + 4Al \rightarrow 2Al_2O_3 + 3Pb$

Ответ: Схема электронного баланса:
$Pb^{+4} + 4e^- \rightarrow Pb^0$ | 3
$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ | 4
Уравнение реакции: $3PbO_2 + 4Al = 2Al_2O_3 + 3Pb$.

б)

Решение.

Рассмотрим схему реакции: $H_2S + O_2 \rightarrow S + H_2O$.

Определим степени окисления элементов до и после реакции:

$ \stackrel{+1}{H_2} \stackrel{-2}{S} + \stackrel{0}{O_2} \rightarrow \stackrel{0}{S} + \stackrel{+1}{H_2} \stackrel{-2}{O} $

Сера ($S$) повышает свою степень окисления с -2 до 0, следовательно, сероводород ($H_2S$) является восстановителем. Кислород ($O$) понижает свою степень окисления с 0 до -2, следовательно, он является окислителем.

Составим схему электронного баланса:

Наименьшее общее кратное для 2 и 4 равно 4. Домножаем первую полуреакцию на 2, вторую — на 1.

Расставим коэффициенты и получим уравнение реакции:

$2H_2S + O_2 \rightarrow 2S + 2H_2O$

Ответ: Схема электронного баланса:
$S^{-2} - 2e^- \rightarrow S^0$ | 2
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1
Уравнение реакции: $2H_2S + O_2 = 2S + 2H_2O$.

в)

Решение.

Рассмотрим схему реакции: $KClO_3 + S \rightarrow SO_2 + KCl$.

Определим степени окисления элементов до и после реакции:

$ \stackrel{+1}{K} \stackrel{+5}{Cl} \stackrel{-2}{O_3} + \stackrel{0}{S} \rightarrow \stackrel{+4}{S} \stackrel{-2}{O_2} + \stackrel{+1}{K} \stackrel{-1}{Cl} $

Хлор ($Cl$) понижает свою степень окисления с +5 до -1, следовательно, хлорат калия ($KClO_3$) является окислителем. Сера ($S$) повышает свою степень окисления с 0 до +4, следовательно, она является восстановителем.

Составим схему электронного баланса:

Наименьшее общее кратное для 6 и 4 равно 12. Домножаем первую полуреакцию на 2, вторую — на 3.

Расставим коэффициенты и получим уравнение реакции:

$2KClO_3 + 3S \rightarrow 3SO_2 + 2KCl$

Ответ: Схема электронного баланса:
$Cl^{+5} + 6e^- \rightarrow Cl^{-1}$ | 2
$S^0 - 4e^- \rightarrow S^{+4}$ | 3
Уравнение реакции: $2KClO_3 + 3S = 3SO_2 + 2KCl$.

г)

Решение.

Рассмотрим схему реакции: $H_2SO_4 + Na \rightarrow Na_2SO_4 + H_2S + H_2O$.

Определим степени окисления элементов до и после реакции:

$ \stackrel{+1}{H_2} \stackrel{+6}{S} \stackrel{-2}{O_4} + \stackrel{0}{Na} \rightarrow \stackrel{+1}{Na_2} \stackrel{+6}{S} \stackrel{-2}{O_4} + \stackrel{+1}{H_2} \stackrel{-2}{S} + \stackrel{+1}{H_2} \stackrel{-2}{O} $

Сера ($S$) в серной кислоте понижает свою степень окисления с +6 до -2 (в $H_2S$), следовательно, серная кислота ($H_2SO_4$) является окислителем. Натрий ($Na$) повышает свою степень окисления с 0 до +1, следовательно, он является восстановителем. Часть серной кислоты не меняет степень окисления и образует соль $Na_2SO_4$.

Составим схему электронного баланса:

Наименьшее общее кратное для 8 и 1 равно 8. Домножаем первую полуреакцию на 1, вторую — на 8.

Расставим коэффициенты. Перед натрием ставим 8, перед $H_2S$ – 1. Затем уравниваем натрий справа, поставив 4 перед $Na_2SO_4$. Далее уравниваем серу: справа 4+1=5 атомов серы, значит, слева перед $H_2SO_4$ ставим 5. В последнюю очередь уравниваем водород и кислород, поставив 4 перед $H_2O$.

Итоговое уравнение реакции:

$5H_2SO_4 + 8Na \rightarrow 4Na_2SO_4 + H_2S + 4H_2O$

Ответ: Схема электронного баланса:
$S^{+6} + 8e^- \rightarrow S^{-2}$ | 1
$Na^0 - 1e^- \rightarrow Na^{+1}$ | 8
Уравнение реакции: $5H_2SO_4 + 8Na = 4Na_2SO_4 + H_2S + 4H_2O$.

7-40. По данным схемам составьте схемы электронного баланса и уравнения

окислительно-восстановительных реакций:

а) $V_2O_5 + Al \to Al_2O_3 + V$

б) $NH_3 + O_2 \to N_2 + H_2O$

в) $HNO_3 + Cu \to Cu(NO_3)_2 + NO_2 + H_2O$

а) $V_2O_5 + Al \rightarrow Al_2O_3 + V$

Решение:

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

$V_2^{+5}O_5 + Al^0 \rightarrow Al_2^{+3}O_3 + V^0$

2. Составим схему электронного баланса. Алюминий ($Al$) отдает электроны, повышая свою степень окисления, и является восстановителем. Ванадий ($V$) принимает электроны, понижая свою степень окисления, и является окислителем.

Процесс окисления (восстановитель): $Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$

Процесс восстановления (окислитель): $V^{+5} + 5e^- \rightarrow V^0$

Чтобы уравнять число отданных и принятых электронов, учтем индексы в формулах веществ ($V_2O_5$) и найдем наименьшее общее кратное (НОК) для числа электронов. В реакции участвует 2 атома ванадия.

$ \begin{array}{l|c|l} Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3} & 10 & \text{процесс окисления, } Al^0 \text{ - восстановитель} \\ 2V^{+5} + 10e^- \rightarrow 2V^0 & 3 & \text{процесс восстановления, } V_2O_5 \text{ - окислитель} \end{array} $

3. Используя найденные коэффициенты (10 для алюминия и 3 для оксида ванадия(V)), расставим их в уравнении реакции и уравняем остальные элементы.

$3V_2O_5 + 10Al \rightarrow 5Al_2O_3 + 6V$

Проверим баланс атомов:

• V: слева 6, справа 6.
• O: слева 15, справа 15.
• Al: слева 10, справа 10.

Уравнение составлено верно.

Ответ:

Схема электронного баланса:

$ \begin{array}{l|c|l} Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3} & 10 & \text{восстановитель} \\ 2V^{+5} + 10e^- \rightarrow 2V^0 & 3 & \text{окислитель} \end{array} $

Уравнение окислительно-восстановительной реакции:

$3V_2O_5 + 10Al = 5Al_2O_3 + 6V$

б) $NH_3 + O_2 \rightarrow N_2 + H_2O$

Решение:

1. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$N^{-3}H_3 + O_2^0 \rightarrow N_2^0 + H_2O^{-2}$

2. Составим схему электронного баланса. Азот ($N$) отдает электроны, повышая свою степень окисления, и является восстановителем. Кислород ($O$) принимает электроны, понижая свою степень окисления, и является окислителем.

Процесс окисления (восстановитель): $N^{-3} - 3e^- \rightarrow N^0$

Процесс восстановления (окислитель): $O^0 + 2e^- \rightarrow O^{-2}$

Учтем, что молекулы азота и кислорода двухатомные ($N_2$, $O_2$).

$ \begin{array}{l|c|l} 2N^{-3} - 6e^- \rightarrow N_2^0 & 2 & \text{процесс окисления, } NH_3 \text{ - восстановитель} \\ O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2} & 3 & \text{процесс восстановления, } O_2 \text{ - окислитель} \end{array} $

3. Используя найденные коэффициенты, расставим их в уравнении. Коэффициент 2 относится к процессу с азотом, что дает нам $2 \times 2 = 4$ атома азота, т.е. 4 молекулы $NH_3$ и 2 молекулы $N_2$. Коэффициент 3 относится к кислороду, т.е. 3 молекулы $O_2$.

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

Проверим баланс атомов:

• N: слева 4, справа 4.
• H: слева 12, справа 12.
• O: слева 6, справа 6.

Уравнение составлено верно.

Ответ:

Схема электронного баланса:

$ \begin{array}{l|c|l} 2N^{-3} - 6e^- \rightarrow N_2^0 & 2 & \text{восстановитель} \\ O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2} & 3 & \text{окислитель} \end{array} $

Уравнение окислительно-восстановительной реакции:

$4NH_3 + 3O_2 = 2N_2 + 6H_2O$

в) $HNO_3 + Cu \rightarrow Cu(NO_3)_2 + NO_2 + H_2O$

Решение:

1. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$H\overset{+5}{N}O_3 + \overset{0}{Cu} \rightarrow \overset{+2}{Cu}(NO_3)_2 + \overset{+4}{N}O_2 + H_2O$

Азот в нитрат-ионе ($NO_3^-$) в составе $Cu(NO_3)_2$ сохраняет степень окисления +5.

2. Составим схему электронного баланса. Медь ($Cu$) отдает электроны, повышая свою степень окисления, и является восстановителем. Азот ($N$) в азотной кислоте принимает электроны, понижая свою степень окисления, и является окислителем.

$ \begin{array}{l|c|l} Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{+2} & 1 & \text{процесс окисления, } Cu \text{ - восстановитель} \\ N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4} & 2 & \text{процесс восстановления, } HNO_3 \text{ - окислитель} \end{array} $

3. Используя найденные коэффициенты, расставим их в уравнении. Перед медью и ее соединениями ($Cu$, $Cu(NO_3)_2$) ставим коэффициент 1. Перед продуктом восстановления азота ($NO_2$) ставим коэффициент 2.

$1Cu + HNO_3 \rightarrow 1Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + H_2O$

Теперь уравняем общее количество атомов азота. Справа: $1 \times 2$ (в нитрате меди) + 2 (в $NO_2$) = 4 атома N. Следовательно, слева перед $HNO_3$ нужен коэффициент 4.

$Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + H_2O$

Наконец, уравняем водород и кислород. Слева 4 атома H, значит, перед $H_2O$ ставим коэффициент 2. Проверяем кислород: слева $4 \times 3 = 12$; справа $3 \times 2 + 2 \times 2 + 2 \times 1 = 6 + 4 + 2 = 12$.

Уравнение составлено верно.

Ответ:

Схема электронного баланса:

$ \begin{array}{l|c|l} Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{+2} & 1 & \text{восстановитель} \\ N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4} & 2 & \text{окислитель} \end{array} $

Уравнение окислительно-восстановительной реакции:

$Cu + 4HNO_3 = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O$

7-41. По данным схемам составьте схемы электронного баланса и уравнения окислительно-восстановительных реакций:

а) $Fe_2O_3 + H_2 \rightarrow H_2O + Fe$

б) $Na_2SO_3 + O_2 \rightarrow Na_2SO_4$

в) $Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + S + H_2O$

а) $Fe_2O_3 + H_2 \rightarrow H_2O + Fe$

Решение

1. Определим степени окисления элементов в реагентах и продуктах, чтобы выявить элементы, изменившие их.

$Fe_2^{+3}O_3^{-2} + H_2^0 \rightarrow H_2^{+1}O^{-2} + Fe^0$

Степень окисления изменяют железо (с +3 до 0) и водород (с 0 до +1).

2. Составим схему электронного баланса. Железо принимает электроны, его степень окисления понижается, следовательно, $Fe^{+3}$ – окислитель (подвергается восстановлению). Водород отдает электроны, его степень окисления повышается, следовательно, $H_2^0$ – восстановитель (подвергается окислению).

$Fe^{+3} + 3e^{-} \rightarrow Fe^{0}$ | 2 | 6
$H_2^{0} - 2e^{-} \rightarrow 2H^{+1}$ | 3 | 6

Для баланса электронов, число отданных электронов должно быть равно числу принятых. Наименьшее общее кратное для 3 и 2 равно 6. Поэтому первую полуреакцию умножаем на 2, а вторую на 3.

3. Используя найденные коэффициенты, составим уравнение реакции. Коэффициент 2 относится к железу, а 3 – к водороду. Так как в молекуле $Fe_2O_3$ уже два атома железа, перед ней коэффициент равен 1. Перед простым веществом $Fe$ ставим коэффициент 2. Перед $H_2$ ставим 3. Чтобы уравнять атомы водорода, перед $H_2O$ также ставим коэффициент 3.

$Fe_2O_3 + 3H_2 = 2Fe + 3H_2O$

Проверим баланс атомов кислорода: слева 3 атома в $Fe_2O_3$, справа 3 атома в $3H_2O$. Баланс соблюден, уравнение составлено верно.

Ответ:

Схема электронного баланса:

$Fe^{+3} + 3e^{-} \rightarrow Fe^{0}$ | 2 (окислитель, процесс восстановления)
$H_2^{0} - 2e^{-} \rightarrow 2H^{+1}$ | 3 (восстановитель, процесс окисления)

Уравнение реакции:

$Fe_2O_3 + 3H_2 = 2Fe + 3H_2O$

б) $Na_2SO_3 + O_2 \rightarrow Na_2SO_4$

Решение

1. Определим степени окисления элементов:

$Na_2^{+1}S^{+4}O_3^{-2} + O_2^0 \rightarrow Na_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2}$

Степень окисления изменяют сера (с +4 до +6) и кислород (с 0 до -2).

2. Составим схему электронного баланса. Сера повышает степень окисления, является восстановителем ($S^{+4}$). Кислород понижает степень окисления, является окислителем ($O_2^0$).

$S^{+4} - 2e^{-} \rightarrow S^{+6}$ | 2 | 4
$O_2^{0} + 4e^{-} \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | 4

Наименьшее общее кратное для 2 и 4 равно 4. Умножаем первую полуреакцию на 2, вторую на 1.

3. Поставим коэффициенты в уравнение. Коэффициент 2 относится к сере, поэтому ставим его перед веществами, содержащими серу: $Na_2SO_3$ и $Na_2SO_4$. Коэффициент 1 относится к молекулярному кислороду $O_2$ (не пишется).

$2Na_2SO_3 + O_2 = 2Na_2SO_4$

Проверим баланс всех атомов. Na: $2 \times 2 = 4$ слева, $2 \times 2 = 4$ справа. S: 2 слева, 2 справа. O: $2 \times 3 + 2 = 8$ слева, $2 \times 4 = 8$ справа. Уравнение составлено верно.

Ответ:

Схема электронного баланса:

$S^{+4} - 2e^{-} \rightarrow S^{+6}$ | 2 (восстановитель, процесс окисления)
$O_2^{0} + 4e^{-} \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 (окислитель, процесс восстановления)

Уравнение реакции:

$2Na_2SO_3 + O_2 = 2Na_2SO_4$

в) $Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + S + H_2O$

Решение

1. Определим степени окисления элементов:

$Zn^0 + H_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2} \rightarrow Zn^{+2}S^{+6}O_4^{-2} + S^0 + H_2^{+1}O^{-2}$

Степень окисления изменяют цинк (с 0 до +2) и сера (с +6 до 0). Обратите внимание, что часть серы из серной кислоты не меняет степень окисления, переходя в сульфат цинка $ZnSO_4$.

2. Составим схему электронного баланса. Цинк является восстановителем, а серная кислота (за счет $S^{+6}$) – окислителем.

$Zn^0 - 2e^{-} \rightarrow Zn^{+2}$ | 3 | 6
$S^{+6} + 6e^{-} \rightarrow S^0$ | 1 | 6

Наименьшее общее кратное для 2 и 6 равно 6. Умножаем первую полуреакцию на 3, вторую на 1.

3. Поставим коэффициенты в уравнение. Коэффициент 3 относится к цинку, поэтому ставим его перед $Zn$ и $ZnSO_4$. Коэффициент 1 относится к сере, восстановленной до $S^0$. Теперь посчитаем общее количество атомов серы в правой части уравнения: 3 атома в $3ZnSO_4$ и 1 атом в $S$, итого 4 атома. Следовательно, перед $H_2SO_4$ в левой части нужно поставить коэффициент 4. Теперь уравняем водород: слева $4 \times 2 = 8$ атомов H, значит, справа перед $H_2O$ ставим коэффициент 4.

$3Zn + 4H_2SO_4 = 3ZnSO_4 + S + 4H_2O$

Проверим баланс кислорода: слева $4 \times 4 = 16$ атомов, справа $3 \times 4$ (в $ZnSO_4$) + 4 (в $H_2O$) = $12 + 4 = 16$ атомов. Уравнение составлено верно.

Ответ:

Схема электронного баланса:

$Zn^{0} - 2e^{-} \rightarrow Zn^{+2}$ | 3 (восстановитель, процесс окисления)
$S^{+6} + 6e^{-} \rightarrow S^{0}$ | 1 (окислитель, процесс восстановления)

Уравнение реакции:

$3Zn + 4H_2SO_4 = 3ZnSO_4 + S + 4H_2O$

7-42. По данным схемам составьте схемы электронного баланса и уравнения окислительно-восстановительных реакций:

а) $Cr_2O_3 + Mg \rightarrow MgO + Cr$

б) $KNO_3 \rightarrow KNO_2 + O_2$

в) $Fe(OH)_2 + O_2 + H_2O \rightarrow Fe(OH)_3$

г) $NO_2 + NaOH \rightarrow NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$

д) $HNO_3 \rightarrow NO_2 + O_2 + H_2O$

е) $Cl_2 + KOH \rightarrow KClO_3 + KCl + H_2O$

Укажите тип окислительно-восстановительных реакций.

а) $Cr_2O_3 + Mg \rightarrow MgO + Cr$

Решение:

Сначала определим степени окисления элементов, чтобы найти, какие из них изменяют свою степень окисления в ходе реакции.

$ \stackrel{+3}{Cr}_2\stackrel{-2}{O}_3 + \stackrel{0}{Mg} \rightarrow \stackrel{+2}{Mg}\stackrel{-2}{O} + \stackrel{0}{Cr} $

Хром ($Cr$) изменяет степень окисления с $+3$ до $0$, принимая электроны (восстанавливается). Магний ($Mg$) изменяет степень окисления с $0$ до $+2$, отдавая электроны (окисляется).

Составим схему электронного баланса:

$ \begin{array}{l|c|l} 2Cr^{+3} + 6e^- \rightarrow 2Cr^{0} & 1 & \text{процесс восстановления, } Cr^{+3} \text{ (в } Cr_2O_3 \text{) является окислителем} \\ Mg^{0} - 2e^- \rightarrow Mg^{+2} & 3 & \text{процесс окисления, } Mg \text{ является восстановителем} \end{array} $

Используя найденные коэффициенты, уравняем реакцию:

$Cr_2O_3 + 3Mg \rightarrow 3MgO + 2Cr$

Данная реакция является межмолекулярной, так как окислитель и восстановитель находятся в разных веществах.

Ответ: Схема электронного баланса: $2Cr^{+3} + 6e^- \rightarrow 2Cr^0$; $Mg^0 - 2e^- \rightarrow Mg^{+2}$. Уравнение реакции: $Cr_2O_3 + 3Mg \rightarrow 3MgO + 2Cr$. Тип реакции: межмолекулярная.

б) $KNO_3 \rightarrow KNO_2 + O_2$

Решение:

Определим степени окисления элементов:

$ K\stackrel{+5}{N}\stackrel{-2}{O}_3 \rightarrow K\stackrel{+3}{N}\stackrel{-2}{O}_2 + \stackrel{0}{O}_2 $

Азот ($N$) изменяет степень окисления с $+5$ до $+3$ (восстанавливается). Кислород ($O$) изменяет степень окисления с $-2$ до $0$ (окисляется).

Составим схему электронного баланса:

$ \begin{array}{l|c|l} N^{+5} + 2e^- \rightarrow N^{+3} & 2 & \text{процесс восстановления, } N^{+5} \text{ является окислителем} \\ 2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^{0} & 1 & \text{процесс окисления, } O^{-2} \text{ является восстановителем} \end{array} $

Расставим коэффициенты в уравнении:

$2KNO_3 \rightarrow 2KNO_2 + O_2$

Данная реакция является внутримолекулярной, так как атомы окислителя и восстановителя входят в состав одной и той же молекулы ($KNO_3$).

Ответ: Схема электронного баланса: $N^{+5} + 2e^- \rightarrow N^{+3}$; $2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$. Уравнение реакции: $2KNO_3 \rightarrow 2KNO_2 + O_2$. Тип реакции: внутримолекулярная.

в) $Fe(OH)_2 + O_2 + H_2O \rightarrow Fe(OH)_3$

Решение:

Определим степени окисления элементов:

$ \stackrel{+2}{Fe}(OH)_2 + \stackrel{0}{O}_2 + H_2O \rightarrow \stackrel{+3}{Fe}(OH)_3 $

Железо ($Fe$) окисляется с $+2$ до $+3$. Кислород ($O_2$) восстанавливается с $0$ до $-2$ (входит в состав гидроксид-ионов).

Составим схему электронного баланса:

$ \begin{array}{l|c|l} Fe^{+2} - 1e^- \rightarrow Fe^{+3} & 4 & \text{процесс окисления, } Fe^{+2} \text{ (в } Fe(OH)_2 \text{) является восстановителем} \\ O_2^{0} + 4e^- \rightarrow 2O^{-2} & 1 & \text{процесс восстановления, } O_2 \text{ является окислителем} \end{array} $

Уравняем реакцию, используя коэффициенты из баланса, и затем уравняем водород и кислород, подбирая коэффициент для воды:

$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$

Данная реакция является межмолекулярной.

Ответ: Схема электронного баланса: $Fe^{+2} - 1e^- \rightarrow Fe^{+3}$; $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$. Уравнение реакции: $4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$. Тип реакции: межмолекулярная.

г) $NO_2 + NaOH \rightarrow NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$

Решение:

Определим степени окисления элементов:

$ \stackrel{+4}{N}O_2 + NaOH \rightarrow Na\stackrel{+5}{N}O_3 + Na\stackrel{+3}{N}O_2 + H_2O $

Азот ($N$) в степени окисления $+4$ одновременно и окисляется до $+5$, и восстанавливается до $+3$.

Составим схему электронного баланса:

$ \begin{array}{l|c|l} N^{+4} - 1e^- \rightarrow N^{+5} & 1 & \text{процесс окисления} \\ N^{+4} + 1e^- \rightarrow N^{+3} & 1 & \text{процесс восстановления} \end{array} $

$NO_2$ является одновременно и окислителем, и восстановителем.

Коэффициенты из баланса (1 и 1) показывают, что на 1 молекулу $NaNO_3$ образуется 1 молекула $NaNO_2$. Для этого требуется 2 молекулы $NO_2$. Уравняем остальные элементы:

$2NO_2 + 2NaOH \rightarrow NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$

Такой тип реакций, где один и тот же элемент является и окислителем, и восстановителем, называется реакцией диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления).

Ответ: Схема электронного баланса: $N^{+4} - 1e^- \rightarrow N^{+5}$; $N^{+4} + 1e^- \rightarrow N^{+3}$. Уравнение реакции: $2NO_2 + 2NaOH \rightarrow NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$. Тип реакции: диспропорционирование.

д) $HNO_3 \rightarrow NO_2 + O_2 + H_2O$

Решение:

Определим степени окисления:

$ H\stackrel{+5}{N}\stackrel{-2}{O}_3 \rightarrow \stackrel{+4}{N}O_2 + \stackrel{0}{O}_2 + H_2O $

Азот ($N$) восстанавливается с $+5$ до $+4$. Кислород ($O$) окисляется с $-2$ до $0$.

Составим схему электронного баланса:

$ \begin{array}{l|c|l} N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4} & 4 & \text{процесс восстановления, } N^{+5} \text{ является окислителем} \\ 2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^{0} & 1 & \text{процесс окисления, } O^{-2} \text{ является восстановителем} \end{array} $

Расставим коэффициенты:

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

Это внутримолекулярная реакция, так как окислитель и восстановитель находятся в одном веществе.

Ответ: Схема электронного баланса: $N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$; $2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$. Уравнение реакции: $4HNO_3 \rightarrow 4NO_2 + O_2 + 2H_2O$. Тип реакции: внутримолекулярная.

е) $Cl_2 + KOH \rightarrow KClO_3 + KCl + H_2O$

Решение:

Определим степени окисления:

$ \stackrel{0}{Cl}_2 + KOH \rightarrow K\stackrel{+5}{Cl}O_3 + K\stackrel{-1}{Cl} + H_2O $

Хлор ($Cl$) в степени окисления $0$ одновременно окисляется до $+5$ и восстанавливается до $-1$.

Составим схему электронного баланса:

$ \begin{array}{l|c|l} Cl^{0} - 5e^- \rightarrow Cl^{+5} & 1 & \text{процесс окисления} \\ Cl^{0} + 1e^- \rightarrow Cl^{-1} & 5 & \text{процесс восстановления} \end{array} $

$Cl_2$ является одновременно и окислителем, и восстановителем.

Для реакции требуется 1 атом хлора, который окислится, и 5 атомов хлора, которые восстановятся. Всего 6 атомов хлора, то есть 3 молекулы $Cl_2$. Расставим коэффициенты:

$3Cl_2 + 6KOH \rightarrow KClO_3 + 5KCl + 3H_2O$

Это реакция диспропорционирования.

Ответ: Схема электронного баланса: $Cl^0 - 5e^- \rightarrow Cl^{+5}$; $Cl^0 + 1e^- \rightarrow Cl^{-1}$. Уравнение реакции: $3Cl_2 + 6KOH \rightarrow KClO_3 + 5KCl + 3H_2O$. Тип реакции: диспропорционирование.

7-43. Из данного перечня выберите окислительно-восстановительные реакции, укажите их тип:

a) $NaNO_3 \rightarrow NaNO_2 + O_2$

$PCl_5 + H_2O \rightarrow H_3PO_4 + HCl$

б) $Cu(OH)_2 \rightarrow CuO + H_2O$

$NO_2 + SO_2 \rightarrow SO_3 + NO$

$CO_2 + C \rightarrow CO$

$KI + Cl_2 \rightarrow KCl + I_2$

$NH_4NO_3 \rightarrow N_2O + H_2O$

$Au_2O_3 \rightarrow Au + O_2$

а)

1. $NaNO_3 \rightarrow NaNO_2 + O_2$

Сначала уравняем реакцию: $2NaNO_3 \rightarrow 2NaNO_2 + O_2$.

Определим степени окисления элементов до и после реакции:
$Na\stackrel{+1}{N}\stackrel{+5}{O_3}\stackrel{-2}{\;} \rightarrow Na\stackrel{+1}{N}\stackrel{+3}{O_2}\stackrel{-2}{} + \stackrel{0}{O_2}$

Степени окисления изменяют азот (с +5 до +3) и кислород (с -2 до 0). Следовательно, это окислительно-восстановительная реакция.

Составим электронный баланс:
$N^{+5} + 2e^- \rightarrow N^{+3}$ | 2 | восстановление, $N^{+5}$ (в $NaNO_3$) – окислитель
$2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$ | 1 | окисление, $O^{-2}$ (в $NaNO_3$) – восстановитель

Так как окислитель и восстановитель – это разные элементы, находящиеся в составе одного и того же исходного вещества, реакция является внутримолекулярной.

Ответ: Окислительно-восстановительная реакция, тип – внутримолекулярная.

2. $PCl_5 + H_2O \rightarrow H_3PO_4 + HCl$

Уравняем реакцию: $PCl_5 + 4H_2O \rightarrow H_3PO_4 + 5HCl$.

Определим степени окисления:
$\stackrel{+5}{P}\stackrel{-1}{Cl_5} + \stackrel{+1}{H_2}\stackrel{-2}{O} \rightarrow \stackrel{+1}{H_3}\stackrel{+5}{P}\stackrel{-2}{O_4} + \stackrel{+1}{H}\stackrel{-1}{Cl}$

В ходе реакции степени окисления всех элементов (P, Cl, H, O) не изменяются. Это реакция ионного обмена (гидролиз).

Ответ: Реакция не является окислительно-восстановительной.

3. $CO_2 + C \rightarrow CO$

Уравняем реакцию: $CO_2 + C \rightarrow 2CO$.

Определим степени окисления:
$\stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O_2} + \stackrel{0}{C} \rightarrow 2\stackrel{+2}{C}\stackrel{-2}{O}$

Степень окисления изменяет углерод (с +4 и 0 до +2). Следовательно, это ОВР.

Составим электронный баланс:
$C^{+4} + 2e^- \rightarrow C^{+2}$ | 1 | восстановление, $C^{+4}$ (в $CO_2$) – окислитель
$C^0 - 2e^- \rightarrow C^{+2}$ | 1 | окисление, $C^0$ – восстановитель

В этой реакции один и тот же элемент (углерод) из двух разных степеней окисления (+4 и 0) переходит в одну промежуточную (+2). Такой тип реакции называется конпропорционированием (или сопропорционированием).

Ответ: Окислительно-восстановительная реакция, тип – конпропорционирование.

4. $KI + Cl_2 \rightarrow KCl + I_2$

Уравняем реакцию: $2KI + Cl_2 \rightarrow 2KCl + I_2$.

Определим степени окисления:
$2\stackrel{+1}{K}\stackrel{-1}{I} + \stackrel{0}{Cl_2} \rightarrow 2\stackrel{+1}{K}\stackrel{-1}{Cl} + \stackrel{0}{I_2}$

Степени окисления изменяют иод (с -1 до 0) и хлор (с 0 до -1). Это ОВР.

Составим электронный баланс:
$2I^{-1} - 2e^- \rightarrow I_2^0$ | 1 | окисление, $I^{-1}$ (в $KI$) – восстановитель
$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ | 1 | восстановление, $Cl_2^0$ – окислитель

Окислитель ($Cl_2$) и восстановитель ($KI$) являются разными веществами. Это межмолекулярная ОВР.

Ответ: Окислительно-восстановительная реакция, тип – межмолекулярная.

б)

1. $Cu(OH)_2 \rightarrow CuO + H_2O$

Реакция уже уравнена.

Определим степени окисления:
$\stackrel{+2}{Cu}(\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H})_2 \rightarrow \stackrel{+2}{Cu}\stackrel{-2}{O} + \stackrel{+1}{H_2}\stackrel{-2}{O}$

Степени окисления меди, кислорода и водорода не изменяются. Это реакция разложения, не являющаяся ОВР.

Ответ: Реакция не является окислительно-восстановительной.

2. $NO_2 + SO_2 \rightarrow SO_3 + NO$

Реакция уже уравнена.

Определим степени окисления:
$\stackrel{+4}{N}\stackrel{-2}{O_2} + \stackrel{+4}{S}\stackrel{-2}{O_2} \rightarrow \stackrel{+6}{S}\stackrel{-2}{O_3} + \stackrel{+2}{N}\stackrel{-2}{O}$

Степени окисления изменяют азот (с +4 до +2) и сера (с +4 до +6). Это ОВР.

Составим электронный баланс:
$N^{+4} + 2e^- \rightarrow N^{+2}$ | 1 | восстановление, $N^{+4}$ (в $NO_2$) – окислитель
$S^{+4} - 2e^- \rightarrow S^{+6}$ | 1 | окисление, $S^{+4}$ (в $SO_2$) – восстановитель

Окислитель ($NO_2$) и восстановитель ($SO_2$) – разные вещества. Это межмолекулярная ОВР.

Ответ: Окислительно-восстановительная реакция, тип – межмолекулярная.

3. $NH_4NO_3 \rightarrow N_2O + H_2O$

Уравняем реакцию: $NH_4NO_3 \rightarrow N_2O + 2H_2O$.

Определим степени окисления азота в нитрате аммония ($NH_4NO_3$), который состоит из ионов $NH_4^+$ и $NO_3^-$:
В ионе $NH_4^+$: $\stackrel{-3}{N}\stackrel{+1}{H_4}{}^+$
В ионе $NO_3^-$: $\stackrel{+5}{N}\stackrel{-2}{O_3}{}^-$
В продукте $N_2O$: $\stackrel{+1}{N_2}\stackrel{-2}{O}$

Атомы азота из разных ионов изменяют свои степени окисления. Это ОВР.

Составим электронный баланс:
$N^{+5} + 4e^- \rightarrow N^{+1}$ | 1 | восстановление, $N^{+5}$ (в $NO_3^-$) – окислитель
$N^{-3} - 4e^- \rightarrow N^{+1}$ | 1 | окисление, $N^{-3}$ (в $NH_4^+$) – восстановитель

Окислителем и восстановителем являются атомы одного элемента (азота), но с разными степенями окисления, входящие в состав одного вещества. Это внутримолекулярная ОВР. (Иногда ее также относят к конпропорционированию).

Ответ: Окислительно-восстановительная реакция, тип – внутримолекулярная.

4. $Au_2O_3 \rightarrow Au + O_2$

Уравняем реакцию: $2Au_2O_3 \rightarrow 4Au + 3O_2$.

Определим степени окисления:
$\stackrel{+3}{Au_2}\stackrel{-2}{O_3} \rightarrow \stackrel{0}{Au} + \stackrel{0}{O_2}$

Степени окисления изменяют золото (с +3 до 0) и кислород (с -2 до 0). Это ОВР.

Составим электронный баланс:
$Au^{+3} + 3e^- \rightarrow Au^0$ | 4 | восстановление, $Au^{+3}$ (в $Au_2O_3$) – окислитель
$2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$ | 3 | окисление, $O^{-2}$ (в $Au_2O_3$) – восстановитель

Окислитель и восстановитель – разные элементы одного вещества. Это внутримолекулярная ОВР.

Ответ: Окислительно-восстановительная реакция, тип – внутримолекулярная.