Страница 90 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

4. Составьте уравнения полуреакций окисления и восстановления, назовите атом-окислитель и атом-восстановитель. Используя метод электронного баланса, найдите коэффициенты в схемах следующих реакций:

а) $Na + Cl_2 \rightarrow NaCl;$

$P + O_2 \rightarrow P_2O_5;$

$HgO \rightarrow Hg + O_2;$

$H_2S + O_2 \rightarrow SO_2 + H_2O;$

$NH_3 + O_2 \rightarrow N_2 + H_2O;$

б) $NO + O_2 \rightarrow NO_2;$

$Cu(NO_3)_2 \rightarrow CuO + NO_2 + O_2;$

$H_2O_2 + HI \rightarrow I_2 + H_2O;$

$S + H_2SO_4(\text{конц}) \rightarrow SO_2 + H_2O.$

а) Реакция: $Na + Cl_2 \rightarrow NaCl$

Определим степени окисления элементов:

$Na^0 + Cl_2^0 \rightarrow Na^{+1}Cl^{-1}$

Натрий ($Na$) повышает свою степень окисления с 0 до +1, он отдает электрон, следовательно, является восстановителем (происходит процесс окисления).

Хлор ($Cl$) понижает свою степень окисления с 0 до -1, он принимает электроны, следовательно, является окислителем (происходит процесс восстановления).

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$Na^0 - 1e^- \rightarrow Na^{+1}$ | 2 | окисление

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

Атом-восстановитель: $Na$.

Атом-окислитель: $Cl$.

Ответ: $2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$.

Реакция: $P + O_2 \rightarrow P_2O_5$

Определим степени окисления элементов:

$P^0 + O_2^0 \rightarrow P_2^{+5}O_5^{-2}$

Фосфор ($P$) повышает свою степень окисления с 0 до +5, он отдает электроны, следовательно, является восстановителем (происходит процесс окисления).

Кислород ($O$) понижает свою степень окисления с 0 до -2, он принимает электроны, следовательно, является окислителем (происходит процесс восстановления).

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$P^0 - 5e^- \rightarrow P^{+5}$ | 4 | окисление

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 5 | восстановление

Атом-восстановитель: $P$.

Атом-окислитель: $O$.

Ответ: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$.

Реакция: $HgO \rightarrow Hg + O_2$

Определим степени окисления элементов:

$Hg^{+2}O^{-2} \rightarrow Hg^0 + O_2^0$

Кислород ($O$) повышает свою степень окисления с -2 до 0, он отдает электроны, следовательно, является восстановителем (происходит процесс окисления).

Ртуть ($Hg$) понижает свою степень окисления с +2 до 0, она принимает электроны, следовательно, является окислителем (происходит процесс восстановления).

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$ | 1 | окисление

$Hg^{+2} + 2e^- \rightarrow Hg^0$ | 2 | восстановление

Атом-восстановитель: $O$ (в составе $HgO$).

Атом-окислитель: $Hg$ (в составе $HgO$).

Ответ: $2HgO \rightarrow 2Hg + O_2$.

Реакция: $H_2S + O_2 \rightarrow SO_2 + H_2O$

Определим степени окисления элементов:

$H_2^{+1}S^{-2} + O_2^0 \rightarrow S^{+4}O_2^{-2} + H_2^{+1}O^{-2}$

Сера ($S$) повышает свою степень окисления с -2 до +4, она отдает электроны, следовательно, является восстановителем (в составе $H_2S$).

Кислород ($O$) понижает свою степень окисления с 0 до -2, он принимает электроны, следовательно, является окислителем.

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$S^{-2} - 6e^- \rightarrow S^{+4}$ | 2 | окисление

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 3 | восстановление

Атом-восстановитель: $S$ (в составе $H_2S$).

Атом-окислитель: $O$ (в составе $O_2$).

Ответ: $2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2SO_2 + 2H_2O$.

Реакция: $NH_3 + O_2 \rightarrow N_2 + H_2O$

Определим степени окисления элементов:

$N^{-3}H_3^{+1} + O_2^0 \rightarrow N_2^0 + H_2^{+1}O^{-2}$

Азот ($N$) повышает свою степень окисления с -3 до 0, он отдает электроны, следовательно, является восстановителем (в составе $NH_3$).

Кислород ($O$) понижает свою степень окисления с 0 до -2, он принимает электроны, следовательно, является окислителем.

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$2N^{-3} - 6e^- \rightarrow N_2^0$ | 2 | окисление

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 3 | восстановление

Атом-восстановитель: $N$ (в составе $NH_3$).

Атом-окислитель: $O$ (в составе $O_2$).

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

б) Реакция: $NO + O_2 \rightarrow NO_2$

Определим степени окисления элементов:

$N^{+2}O^{-2} + O_2^0 \rightarrow N^{+4}O_2^{-2}$

Азот ($N$) повышает свою степень окисления с +2 до +4, он отдает электроны, следовательно, является восстановителем (в составе $NO$).

Кислород ($O$) в простом веществе $O_2$ понижает свою степень окисления с 0 до -2, он принимает электроны, следовательно, является окислителем.

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$N^{+2} - 2e^- \rightarrow N^{+4}$ | 2 | окисление

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

Атом-восстановитель: $N$ (в составе $NO$).

Атом-окислитель: $O$ (в составе $O_2$).

Ответ: $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$.

Реакция: $Cu(NO_3)_2 \rightarrow CuO + NO_2 + O_2$

Определим степени окисления элементов:

$Cu^{+2}(N^{+5}O_3^{-2})_2 \rightarrow Cu^{+2}O^{-2} + N^{+4}O_2^{-2} + O_2^0$

Кислород ($O$) повышает свою степень окисления с -2 (в нитрат-ионе) до 0, он отдает электроны, следовательно, является восстановителем.

Азот ($N$) понижает свою степень окисления с +5 до +4, он принимает электроны, следовательно, является окислителем.

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$ | 1 | окисление

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

Атом-восстановитель: $O$ (в составе $Cu(NO_3)_2$).

Атом-окислитель: $N$ (в составе $Cu(NO_3)_2$).

Ответ: $2Cu(NO_3)_2 \rightarrow 2CuO + 4NO_2 + O_2$.

Реакция: $H_2O_2 + HI \rightarrow I_2 + H_2O$

Определим степени окисления элементов:

$H_2^{+1}O_2^{-1} + H^{+1}I^{-1} \rightarrow I_2^0 + H_2^{+1}O^{-2}$

Йод ($I$) повышает свою степень окисления с -1 до 0, он отдает электроны, следовательно, является восстановителем (в составе $HI$).

Кислород ($O$) понижает свою степень окисления с -1 до -2, он принимает электроны, следовательно, является окислителем (в составе $H_2O_2$).

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$2I^{-1} - 2e^- \rightarrow I_2^0$ | 1 | окисление

$O_2^{-2} + 2e^- \rightarrow 2O^{-2}$ (или $2O^{-1} + 2e^- \rightarrow 2O^{-2}$) | 1 | восстановление

Атом-восстановитель: $I$ (в составе $HI$).

Атом-окислитель: $O$ (в составе $H_2O_2$).

Ответ: $H_2O_2 + 2HI \rightarrow I_2 + 2H_2O$.

Реакция: $S + H_2SO_4(конц) \rightarrow SO_2 + H_2O$

Определим степени окисления элементов:

$S^0 + H_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2} \rightarrow S^{+4}O_2^{-2} + H_2^{+1}O^{-2}$

Элементарная сера ($S^0$) повышает свою степень окисления с 0 до +4, она отдает электроны, следовательно, является восстановителем.

Сера ($S$) в серной кислоте понижает свою степень окисления с +6 до +4, она принимает электроны, следовательно, является окислителем (в составе $H_2SO_4$).

Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

$S^0 - 4e^- \rightarrow S^{+4}$ | 1 | окисление

$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4}$ | 2 | восстановление

Атом-восстановитель: $S^0$.

Атом-окислитель: $S^{+6}$ (в составе $H_2SO_4$).

Ответ: $S + 2H_2SO_4 \rightarrow 3SO_2 + 2H_2O$.

5. На хлорирование алюминия было затрачено 11,2 л хлора (в пересчёте на н. у.). Рассчитайте массу алюминия, вступившего в реакцию.

Дано:

$V(Cl_2) = 11.2 \text{ л}$ (н. у.)

$V(Cl_2) = 11.2 \text{ л} = 11.2 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

$m(Al) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции взаимодействия алюминия с хлором. В результате реакции образуется хлорид алюминия ($AlCl_3$).

$2Al + 3Cl_2 \rightarrow 2AlCl_3$

2. Найдем количество вещества (число молей) хлора, объем которого дан по условию. Так как объем дан при нормальных условиях (н. у.), для расчета мы используем молярный объем газов, который при н. у. равен $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$.

$n(Cl_2) = \frac{V(Cl_2)}{V_m} = \frac{11.2 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 0.5 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции найдем количество вещества алюминия, которое прореагировало с 0.5 моль хлора. Из уравнения видно, что на 3 моль хлора требуется 2 моль алюминия, то есть их количества соотносятся как 3:2.

$\frac{n(Al)}{n(Cl_2)} = \frac{2}{3}$

Выразим и рассчитаем количество вещества алюминия:

$n(Al) = \frac{2}{3} \cdot n(Cl_2) = \frac{2}{3} \cdot 0.5 \text{ моль} = \frac{1}{3} \text{ моль}$

4. Рассчитаем массу алюминия, зная его количество вещества и молярную массу. Молярная масса алюминия ($Al$) по периодической таблице Д.И. Менделеева равна $M(Al) = 27 \text{ г/моль}$.

$m(Al) = n(Al) \cdot M(Al)$

$m(Al) = \frac{1}{3} \text{ моль} \cdot 27 \text{ г/моль} = 9 \text{ г}$

Ответ: масса алюминия, вступившего в реакцию, составляет 9 г.

6. Иногда элемент-окислитель и элемент-восстановитель входят в состав одного и того же соединения. В этом случае окислительно-восстановительную реакцию называют внутримолекулярной. Примером может служить разложение воды на простые вещества под действием электрического тока. Составьте уравнение реакции, назовите окислитель и восстановитель.

В задаче описана внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция, в которой элемент-окислитель и элемент-восстановитель находятся в одном соединении. В качестве примера приведено разложение воды под действием электрического тока.

Уравнение реакции

Разложение воды, или электролиз, приводит к образованию двух простых веществ — газообразного водорода ($H_2$) и газообразного кислорода ($O_2$). Сбалансированное уравнение этой реакции выглядит так: $$2H_2O \xrightarrow{\text{электрический ток}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$$

Окислитель и восстановитель

Чтобы определить окислитель и восстановитель, необходимо проанализировать изменение степеней окисления атомов в ходе реакции.

1. Определим степени окисления элементов в исходном веществе (реагенте):

В молекуле воды $H_2O$ водород имеет степень окисления +1 ($H^{+1}$), а кислород — степень окисления -2 ($O^{-2}$).

2. Определим степени окисления элементов в продуктах реакции:

Водород ($H_2$) и кислород ($O_2$) — это простые вещества, поэтому степени окисления атомов в них равны нулю ($H^0$ и $O^0$).

3. Проследим за изменением степеней окисления:

$H^{+1} \rightarrow H^0$. Степень окисления водорода понизилась (с +1 до 0). Это означает, что ион водорода принял электроны. Процесс присоединения электронов называется восстановлением. Элемент, который принимает электроны, является окислителем. В данном случае это водород в степени окисления +1.

$O^{-2} \rightarrow O^0$. Степень окисления кислорода повысилась (с -2 до 0). Это означает, что ион кислорода отдал электроны. Процесс отдачи электронов называется окислением. Элемент, который отдает электроны, является восстановителем. В данном случае это кислород в степени окисления -2.

Схема электронного баланса для этой реакции:

$2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$ | 1 | процесс окисления, $O^{-2}$ — восстановитель

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

Ответ: Уравнение реакции: $2H_2O \xrightarrow{\text{электрический ток}} 2H_2 + O_2$. Окислитель — водород в степени окисления +1 ($H^{+1}$) в составе $H_2O$. Восстановитель — кислород в степени окисления -2 ($O^{-2}$) в составе $H_2O$.

7. Напишите уравнения реакций горения в кислороде следующих веществ: железа, водорода, фосфора, аммиака $NH_3$, оксида углерода(II), метана $CH_4$. В каждой реакции определите элемент-восстановитель.

Решение

Железо

Уравнение реакции горения железа в кислороде с образованием железной окалины (смешанного оксида железа(II,III)):

$3\stackrel{0}{Fe} + 2\stackrel{0}{O}_2 \rightarrow \stackrel{+2,+3}{Fe}_3\stackrel{-2}{O}_4$

Для определения элемента-восстановителя рассмотрим изменение степеней окисления. Железо (Fe) в левой части уравнения имеет степень окисления 0, а в правой части в составе $Fe_3O_4$ его степень окисления повышается до +2 и +3. Кислород (O) изменяет степень окисления с 0 до -2, то есть он является окислителем. Элемент, который отдает электроны и повышает свою степень окисления, является восстановителем.

Ответ: элемент-восстановитель – железо (Fe).

Водород

Уравнение реакции горения водорода в кислороде:

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

Водород (H) в левой части имеет степень окисления 0, а в воде ($H_2O$) – +1. Степень окисления водорода повысилась. Кислород (O) изменил степень окисления с 0 до -2, он окислитель. Следовательно, водород является восстановителем.

Ответ: элемент-восстановитель – водород (H).

Фосфор

Уравнение реакции горения фосфора в избытке кислорода с образованием оксида фосфора(V):

$4\stackrel{0}{P} + 5\stackrel{0}{O}_2 \rightarrow 2\stackrel{+5}{P}_2\stackrel{-2}{O}_5$

Фосфор (P) до реакции имел степень окисления 0, а после реакции в составе $P_2O_5$ – +5. Степень окисления фосфора повысилась. Кислород (О) является окислителем (степень окисления изменилась с 0 до -2). Значит, фосфор является восстановителем.

Ответ: элемент-восстановитель – фосфор (P).

Аммиак NH₃

Уравнение реакции горения аммиака в кислороде (без катализатора):

$4\stackrel{-3}{N}\stackrel{+1}{H}_3 + 3\stackrel{0}{O}_2 \rightarrow 2\stackrel{0}{N}_2 + 6\stackrel{+1}{H}_2\stackrel{-2}{O}$

В аммиаке ($NH_3$) азот (N) имеет степень окисления -3. В продуктах реакции образуется простое вещество азот ($N_2$), где его степень окисления равна 0. Степень окисления азота повысилась. Кислород (O) является окислителем (с 0 до -2). Следовательно, азот в составе аммиака является элементом-восстановителем.

Ответ: элемент-восстановитель – азот (N).

Оксид углерода(II)

Уравнение реакции горения оксида углерода(II) (угарного газа) в кислороде:

$2\stackrel{+2}{C}\stackrel{-2}{O} + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow 2\stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O}_2$

В оксиде углерода(II) ($CO$) углерод (C) имеет степень окисления +2. В продукте реакции, оксиде углерода(IV) ($CO_2$), его степень окисления равна +4. Степень окисления углерода повысилась. Кислород (O) из $O_2$ является окислителем (с 0 до -2). Значит, углерод в составе оксида углерода(II) является элементом-восстановителем.

Ответ: элемент-восстановитель – углерод (C).

Метан CH₄

Уравнение реакции горения метана в кислороде:

$\stackrel{-4}{C}\stackrel{+1}{H}_4 + 2\stackrel{0}{O}_2 \rightarrow \stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O}_2 + 2\stackrel{+1}{H}_2\stackrel{-2}{O}$

В метане ($CH_4$) углерод (C) имеет степень окисления -4. В диоксиде углерода ($CO_2$) степень окисления углерода равна +4. Степень окисления углерода повысилась. Кислород (O) является окислителем (с 0 до -2). Следовательно, углерод в составе метана является элементом-восстановителем.

Ответ: элемент-восстановитель – углерод (C).

8. Напишите уравнения реакций восстановления водородом следующих веществ: оксида вольфрама(VI), оксида хрома(III), оксида титана(IV). В каждой реакции определите элемент-окислитель.

Оксид вольфрама(VI)

Восстановление оксида вольфрама(VI) водородом происходит при нагревании. В результате реакции образуется чистый вольфрам и вода.

Уравнение реакции:

$WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} W + 3H_2O$

В этой окислительно-восстановительной реакции изменяются степени окисления вольфрама и водорода:

$W^{+6}O_3^{-2} + 3H_2^0 \rightarrow W^0 + 3H_2^{+1}O^{-2}$

Вольфрам понижает степень окисления с $+6$ до $0$ ($W^{+6} + 6e^- \rightarrow W^0$), то есть он принимает электроны и является окислителем.

Водород повышает степень окисления с $0$ до $+1$ ($H_2^0 - 2e^- \rightarrow 2H^{+1}$), то есть он отдает электроны и является восстановителем.

Ответ: Элемент-окислитель — вольфрам ($W^{+6}$).

Оксид хрома(III)

Восстановление оксида хрома(III) водородом также требует нагревания и приводит к образованию металлического хрома и воды.

Уравнение реакции:

$Cr_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Cr + 3H_2O$

Рассмотрим изменение степеней окисления:

$Cr_2^{+3}O_3^{-2} + 3H_2^0 \rightarrow 2Cr^0 + 3H_2^{+1}O^{-2}$

Хром понижает степень окисления с $+3$ до $0$ ($Cr^{+3} + 3e^- \rightarrow Cr^0$), следовательно, он является окислителем, так как принимает электроны.

Водород, как и в предыдущей реакции, является восстановителем, повышая степень окисления с $0$ до $+1$.

Ответ: Элемент-окислитель — хром ($Cr^{+3}$).

Оксид титана(IV)

Восстановление оксида титана(IV) водородом протекает при высокой температуре, в результате чего образуется титан и вода.

Уравнение реакции:

$TiO_2 + 2H_2 \xrightarrow{t} Ti + 2H_2O$

Изменение степеней окисления элементов в ходе реакции:

$Ti^{+4}O_2^{-2} + 2H_2^0 \rightarrow Ti^0 + 2H_2^{+1}O^{-2}$

Титан понижает свою степень окисления с $+4$ до $0$ ($Ti^{+4} + 4e^- \rightarrow Ti^0$), принимая электроны. Таким образом, титан является элементом-окислителем.

Водород является восстановителем, отдавая электроны и повышая степень окисления с $0$ до $+1$.

Ответ: Элемент-окислитель — титан ($Ti^{+4}$).

9. Железо может быть получено восстановлением оксида железа(III) углеродом, водородом, алюминием. Напишите уравнения реакций. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Назовите окислитель и восстановитель в каждой реакции.

Решение

Железо может быть получено из оксида железа(III) ($Fe_2O_3$) путем его восстановления углеродом, водородом или алюминием. Для каждой реакции составим уравнение, расставим коэффициенты методом электронного баланса и определим окислитель и восстановитель.

Восстановление углеродом

1. Запишем схему реакции. Предположим, что углерод окисляется до оксида углерода(IV):

$Fe_2O_3 + C \rightarrow Fe + CO_2$

2. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$Fe_2^{+3}O_3 + C^0 \rightarrow Fe^0 + C^{+4}O_2$

3. Составим электронный баланс. Железо принимает электроны (восстанавливается), углерод отдает электроны (окисляется).

$Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0$ | 4 | процесс восстановления

$C^0 - 4e^- \rightarrow C^{+4}$ | 3 | процесс окисления

4. Находим наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (3 и 4) — это 12. Полученные множители (4 и 3) являются коэффициентами в уравнении. Коэффициент 4 относится к железу, а 3 — к углероду. Учитывая, что в молекуле $Fe_2O_3$ два атома железа, перед ней ставим коэффициент 2 ($2 \cdot 2 = 4$).

$2Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 4Fe + 3CO_2$

5. Определяем окислитель и восстановитель. Окислитель — вещество, принимающее электроны. Восстановитель — вещество, отдающее электроны.

Окислитель: $Fe_2O_3$ (за счет $Fe^{+3}$).

Восстановитель: $C$ (углерод).

Ответ: Уравнение реакции: $2Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 4Fe + 3CO_2$. Окислитель — $Fe_2O_3$, восстановитель — $C$.

Восстановление водородом

1. Запишем схему реакции:

$Fe_2O_3 + H_2 \rightarrow Fe + H_2O$

2. Определим степени окисления:

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

3. Составим электронный баланс. Обращаем внимание, что молекула водорода состоит из двух атомов.

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

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

4. Наименьшее общее кратное для 3 и 2 — это 6. Коэффициент 2 относится к железу, а 3 — к водороду. Так как в $Fe_2O_3$ уже 2 атома железа, перед ним коэффициент 1 (не ставится). Перед $H_2$ ставим 3.

$Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2Fe + 3H_2O$

5. Определяем окислитель и восстановитель.

Окислитель: $Fe_2O_3$ (за счет $Fe^{+3}$).

Восстановитель: $H_2$ (водород).

Ответ: Уравнение реакции: $Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2Fe + 3H_2O$. Окислитель — $Fe_2O_3$, восстановитель — $H_2$.

Восстановление алюминием

1. Запишем схему реакции (алюминотермия):

$Fe_2O_3 + Al \rightarrow Fe + Al_2O_3$

2. Определим степени окисления:

$Fe_2^{+3}O_3 + Al^0 \rightarrow Fe^0 + Al_2^{+3}O_3$

3. Составим электронный баланс:

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

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

4. Число отданных и принятых электронов для одного атома одинаково, следовательно, стехиометрическое соотношение атомов железа и алюминия в реакции должно быть 1:1. Так как в формуле $Fe_2O_3$ содержится два атома железа, для реакции потребуется два атома алюминия.

$Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$

5. Определяем окислитель и восстановитель.

Окислитель: $Fe_2O_3$ (за счет $Fe^{+3}$).

Восстановитель: $Al$ (алюминий).

Ответ: Уравнение реакции: $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$. Окислитель — $Fe_2O_3$, восстановитель — $Al$.

10. При освещении фтор реагирует с инертным газом ксеноном с образованием фторида ксенона(II) $XeF_2$. Напишите уравнение реакции. Сколько граммов фторида ксенона(II) можно получить из 11,2 л (н. у.) ксенона $Xe$, если выход продукта реакции составляет 20% от теоретически возможного?

1. Уравнение реакции

Реакция между ксеноном (Xe) и фтором (F₂) при освещении (что обозначается как $h\nu$ над стрелкой) приводит к образованию фторида ксенона(II) (XeF₂). Уравнение реакции записывается следующим образом:

$$ \text{Xe} + \text{F}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{XeF}_2 $$

Данное уравнение является сбалансированным, так как число атомов каждого химического элемента в левой и правой частях уравнения одинаково (1 атом Xe и 2 атома F).

Ответ: Уравнение реакции: $ \text{Xe} + \text{F}_2 \rightarrow \text{XeF}_2 $.

2. Расчет массы фторида ксенона(II)

Дано:

$V(\text{Xe}) = 11,2$ л (н. у.)

$η = 20\%$

$V(\text{Xe}) = 11,2 \cdot 10^{-3} \, \text{м}^3$

$η = 0,2$ (в долях от единицы)

Найти:

$m_{практ}(\text{XeF}_2)$

Решение:

1. Найдем количество вещества (моль) ксенона (Xe). Поскольку объем газа дан при нормальных условиях (н. у.), для расчета используем молярный объем газов $V_m = 22,4$ л/моль.

$$ n(\text{Xe}) = \frac{V(\text{Xe})}{V_m} = \frac{11,2 \, \text{л}}{22,4 \, \text{л/моль}} = 0,5 \, \text{моль} $$

2. По уравнению реакции $ \text{Xe} + \text{F}_2 \rightarrow \text{XeF}_2 $ стехиометрическое соотношение реагента (Xe) и продукта (XeF₂) составляет 1:1. Следовательно, теоретически возможное количество вещества фторида ксенона(II) равно количеству вещества исходного ксенона.

$$ n_{теор}(\text{XeF}_2) = n(\text{Xe}) = 0,5 \, \text{моль} $$

3. Рассчитаем молярную массу фторида ксенона(II) (XeF₂), используя относительные атомные массы элементов из Периодической таблицы: $Ar(\text{Xe}) \approx 131,3$ г/моль и $Ar(\text{F}) \approx 19,0$ г/моль.

$$ M(\text{XeF}_2) = M(\text{Xe}) + 2 \cdot M(\text{F}) = 131,3 \, \text{г/моль} + 2 \cdot 19,0 \, \text{г/моль} = 169,3 \, \text{г/моль} $$

4. Вычислим теоретически возможную массу фторида ксенона(II).

$$ m_{теор}(\text{XeF}_2) = n_{теор}(\text{XeF}_2) \cdot M(\text{XeF}_2) = 0,5 \, \text{моль} \cdot 169,3 \, \text{г/моль} = 84,65 \, \text{г} $$

5. Найдем практическую массу продукта, зная, что выход реакции (η) составляет 20% (или 0,2).

$$ m_{практ}(\text{XeF}_2) = m_{теор}(\text{XeF}_2) \cdot η = 84,65 \, \text{г} \cdot 0,2 = 16,93 \, \text{г} $$

Ответ: можно получить 16,93 г фторида ксенона(II).

11. Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в следующих схемах реакций:

а) $BaSO_4 + C \rightarrow BaS + CO;$

$Al + H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + H_2;$

$KClO_3 + P \rightarrow KCl + P_2O_5;$

$S + KOH \rightarrow K_2SO_3 + K_2S + H_2O;$

б) $KClO_3 \rightarrow KClO_4 + KCl;$

$Na_2CO_3 + C \rightarrow Na + CO.$

а) Для реакции BaSO₄ + C → BaS + CO:

Решение

1. Определяем степени окисления элементов до и после реакции:

$Ba^{+2}S^{+6}O_4^{-2} + C^0 \rightarrow Ba^{+2}S^{-2} + C^{+2}O^{-2}$

Изменяют степени окисления сера ($S$) и углерод ($C$).

2. Составляем электронный баланс:

$S^{+6} + 8e^{-} \rightarrow S^{-2}$ | 1 (процесс восстановления, $S^{+6}$ в $BaSO_4$ – окислитель)

$C^0 - 2e^{-} \rightarrow C^{+2}$ | 4 (процесс окисления, $C^0$ – восстановитель)

3. Наименьшее общее кратное для чисел электронов (8 и 2) равно 8. Домножаем полуреакции на соответствующие множители (1 и 4).

Таким образом, коэффициент перед соединениями серы ($BaSO_4$, $BaS$) равен 1, а перед углеродом и его соединением ($C$, $CO$) равен 4.

4. Расставляем коэффициенты в уравнении:

$BaSO_4 + 4C \rightarrow BaS + 4CO$

Проверяем баланс атомов: Ba(1=1), S(1=1), O(4=4), C(4=4). Уравнение сбалансировано.

Ответ:$BaSO_4 + 4C \rightarrow BaS + 4CO$.

Для реакции Al + H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + H₂:

Решение

1. Определяем степени окисления:

$Al^0 + H_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2} \rightarrow Al_2^{+3}(S^{+6}O_4^{-2})_3 + H_2^0$

Изменяют степени окисления алюминий ($Al$) и водород ($H$).

2. Составляем электронный баланс:

$Al^0 - 3e^{-} \rightarrow Al^{+3}$ | 2 (процесс окисления, $Al^0$ – восстановитель)

$2H^{+1} + 2e^{-} \rightarrow H_2^0$ | 3 (процесс восстановления, $H^{+1}$ в $H_2SO_4$ – окислитель)

3. НОК для чисел электронов (3 и 2) равно 6. Множители – 2 и 3.

Коэффициент перед $Al$ ставим 2. Коэффициент перед $H_2$ ставим 3.

4. Расставляем коэффициенты в уравнении:

$2Al + H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2$

Теперь уравниваем остальные атомы. Алюминий уже сбалансирован ($2Al \rightarrow Al_2$). Для баланса сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$) справа их 3, значит, слева перед $H_2SO_4$ нужен коэффициент 3.

$2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2$

Проверяем баланс: Al(2=2), H(6=6), S(3=3), O(12=12). Уравнение сбалансировано.

Ответ:$2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2$.

Для реакции KClO₃ + P → KCl + P₂O₅:

Решение

1. Определяем степени окисления:

$K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2} + P^0 \rightarrow K^{+1}Cl^{-1} + P_2^{+5}O_5^{-2}$

Изменяют степени окисления хлор ($Cl$) и фосфор ($P$).

2. Составляем электронный баланс. Учитываем, что в продукте образуется $P_2O_5$, поэтому в полуреакции окисления используем $2P$:

$Cl^{+5} + 6e^{-} \rightarrow Cl^{-1}$ | 5 (процесс восстановления, $Cl^{+5}$ в $KClO_3$ – окислитель)

$2P^0 - 10e^{-} \rightarrow P_2^{+5}$ | 3 (процесс окисления, $P^0$ – восстановитель)

3. НОК для чисел электронов (6 и 10) равно 30. Множители – 5 и 3.

Коэффициент 5 ставим перед соединениями хлора ($KClO_3$ и $KCl$).

Коэффициент 3 ставим перед $P_2O_5$. Так как в полуреакции участвовало $2P$, то перед простым веществом фосфором ставим коэффициент $3 \times 2 = 6$.

4. Расставляем коэффициенты в уравнении:

$5KClO_3 + 6P \rightarrow 5KCl + 3P_2O_5$

Проверяем баланс: K(5=5), Cl(5=5), O(15=15), P(6=6). Уравнение сбалансировано.

Ответ:$5KClO_3 + 6P \rightarrow 5KCl + 3P_2O_5$.

Для реакции S + KOH → K₂SO₃ + K₂S + H₂O:

Решение

1. Это реакция диспропорционирования. Сера одновременно и окисляется, и восстанавливается.

Определяем степени окисления:

$S^0 + K^{+1}O^{-2}H^{+1} \rightarrow K_2^{+1}S^{+4}O_3^{-2} + K_2^{+1}S^{-2} + H_2^{+1}O^{-2}$

2. Составляем электронный баланс для серы:

$S^0 - 4e^{-} \rightarrow S^{+4}$ | 1 (процесс окисления)

$S^0 + 2e^{-} \rightarrow S^{-2}$ | 2 (процесс восстановления)

3. НОК для чисел электронов (4 и 2) равно 4. Множители – 1 и 2.

Это означает, что на 1 атом серы, окислившийся до $+4$, приходится 2 атома серы, восстановившихся до $-2$. Всего в реакции участвует $1+2=3$ атома серы.

Ставим коэффициент 1 перед $K_2SO_3$ и 2 перед $K_2S$. Перед серой слева ставим их сумму – 3.

$3S + KOH \rightarrow 1K_2SO_3 + 2K_2S + H_2O$

4. Уравниваем остальные элементы. Справа атомов калия: $1 \times 2 + 2 \times 2 = 6$. Значит, слева перед $KOH$ ставим 6.

$3S + 6KOH \rightarrow K_2SO_3 + 2K_2S + H_2O$

Слева 6 атомов водорода, справа 2. Ставим коэффициент 3 перед $H_2O$.

$3S + 6KOH \rightarrow K_2SO_3 + 2K_2S + 3H_2O$

Проверяем кислород: слева 6, справа $3 + 3 = 6$. Уравнение сбалансировано.

Ответ:$3S + 6KOH \rightarrow K_2SO_3 + 2K_2S + 3H_2O$.

б) Для реакции KClO₃ → KClO₄ + KCl:

Решение

1. Это реакция диспропорционирования. Хлор одновременно и окисляется, и восстанавливается.

Определяем степени окисления:

$K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2} \rightarrow K^{+1}Cl^{+7}O_4^{-2} + K^{+1}Cl^{-1}$

2. Составляем электронный баланс для хлора:

$Cl^{+5} - 2e^{-} \rightarrow Cl^{+7}$ | 3 (процесс окисления)

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

3. НОК для чисел электронов (2 и 6) равно 6. Множители – 3 и 1.

На 3 атома хлора, окислившихся до $+7$ (в $KClO_4$), приходится 1 атом хлора, восстановившийся до $-1$ (в $KCl$).

Всего в реакции участвует $3+1=4$ атома хлора. Ставим коэффициент 4 перед $KClO_3$.

Ставим 3 перед $KClO_4$ и 1 перед $KCl$.

4. Записываем уравнение с коэффициентами:

$4KClO_3 \rightarrow 3KClO_4 + KCl$

Проверяем баланс: K(4=3+1), Cl(4=3+1), O(12=12). Уравнение сбалансировано.

Ответ:$4KClO_3 \rightarrow 3KClO_4 + KCl$.

Для реакции Na₂CO₃ + C → Na + CO:

Решение

1. Определяем степени окисления:

$Na_2^{+1}C^{+4}O_3^{-2} + C^0 \rightarrow Na^0 + C^{+2}O^{-2}$

Восстанавливается натрий ($Na^{+1} \rightarrow Na^0$), окисляется углерод ($C^0 \rightarrow C^{+2}$). Углерод в карбонате натрия также меняет степень окисления ($C^{+4} \rightarrow C^{+2}$). Однако для простоты метода электронного баланса рассмотрим только основные процессы.

2. Составляем электронный баланс для основных участников:

$Na^{+1} + 1e^{-} \rightarrow Na^0$ | 2 (процесс восстановления, $Na^{+1}$ – окислитель)

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

3. НОК для чисел электронов (1 и 2) равно 2. Множители – 2 и 1.

Это означает, что на 2 атома натрия, которые восстанавливаются, приходится 1 атом углерода, который окисляется.

4. Используем это соотношение для расстановки коэффициентов. Возьмем 1 молекулу $Na_2CO_3$, в ней 2 атома $Na$. Тогда нам понадобится 2 атома $C^0$ (т.к. карбонат-ион тоже разлагается, и одного атома $C^0$ не хватит для баланса). В продуктах получим 2 атома $Na$.

$Na_2CO_3 + xC \rightarrow 2Na + yCO$

Теперь уравняем атомы углерода и кислорода. Слева 3 атома кислорода. Чтобы их уравнять, справа перед $CO$ нужно поставить коэффициент 3.

$Na_2CO_3 + xC \rightarrow 2Na + 3CO$

Теперь считаем углерод. Справа 3 атома, слева 1 в $Na_2CO_3$. Значит, $x=2$.

$Na_2CO_3 + 2C \rightarrow 2Na + 3CO$

Проверяем баланс: Na(2=2), C(1+2=3), O(3=3). Уравнение сбалансировано.

Ответ:$Na_2CO_3 + 2C \rightarrow 2Na + 3CO$.