Номер 5, страница 110 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

5. Напишите три уравнения реакций железа с разбавленной азотной кислотой, в которых продуктом восстановления кислоты будет соответственно $N_2$, $NO$, $NH_4NO_3$. Для расстановки коэффициентов в уравнениях химических реакций используйте метод электронного баланса. Определите окислитель и восстановитель в этих реакциях.

Решение

Реакция с образованием N₂

При взаимодействии железа с разбавленной азотной кислотой могут образовываться нитрат железа(III), молекулярный азот и вода. Схема реакции выглядит следующим образом:

$Fe + HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + N_{2} \uparrow + H_{2}O$

Для расстановки коэффициентов используем метод электронного баланса. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$Fe^{0} \rightarrow Fe^{+3}$

$N^{+5} \rightarrow N_{2}^{0}$

Составим полуреакции окисления и восстановления:

$Fe^{0} - 3e^{-} \rightarrow Fe^{+3}$ | 10 (процесс окисления, Fe - восстановитель)

$2N^{+5} + 10e^{-} \rightarrow N_{2}^{0}$ | 3 (процесс восстановления, $HNO_3$ за счет $N^{+5}$ - окислитель)

Наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (3 и 10) равно 30. Поэтому умножаем первую полуреакцию на 10, а вторую на 3. Полученные коэффициенты ставим в уравнение реакции перед соответствующими веществами:

$10Fe + HNO_{3} \rightarrow 10Fe(NO_{3})_{3} + 3N_{2} + H_{2}O$

Теперь уравняем количество атомов азота. Справа у нас $10 \cdot 3 + 3 \cdot 2 = 30 + 6 = 36$ атомов азота. Следовательно, перед $HNO_{3}$ ставим коэффициент 36.

$10Fe + 36HNO_{3} \rightarrow 10Fe(NO_{3})_{3} + 3N_{2} + H_{2}O$

И в последнюю очередь уравниваем атомы водорода и проверяем по кислороду. Слева 36 атомов водорода, значит справа перед водой ставим коэффициент 18 ($18 \cdot 2 = 36$).

Проверка по кислороду: слева $36 \cdot 3 = 108$ атомов, справа $10 \cdot 3 \cdot 3 + 18 \cdot 1 = 90 + 18 = 108$ атомов. Коэффициенты расставлены верно.

Ответ: Уравнение реакции: $10Fe + 36HNO_{3} \rightarrow 10Fe(NO_{3})_{3} + 3N_{2} + 18H_{2}O$. Восстановитель – железо ($Fe$), окислитель – азотная кислота ($HNO_{3}$ за счет $N^{+5}$).

Реакция с образованием NO

При реакции железа с более концентрированной (по сравнению с предыдущим случаем) разбавленной азотной кислотой образуется оксид азота(II).

$Fe + HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NO \uparrow + H_{2}O$

Составим электронный баланс:

$Fe^{0} \rightarrow Fe^{+3}$

$N^{+5} \rightarrow N^{+2}$

Полуреакции:

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

$N^{+5} + 3e^{-} \rightarrow N^{+2}$ | 1 (процесс восстановления, $HNO_3$ за счет $N^{+5}$ - окислитель)

Количество отданных и принятых электронов равно, поэтому коэффициенты перед окислителем и восстановителем равны 1.

$Fe + HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NO + H_{2}O$

Уравняем азот: справа $1 \cdot 3 + 1 = 4$ атома, значит перед $HNO_{3}$ ставим 4.

$Fe + 4HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NO + H_{2}O$

Уравняем водород: слева 4 атома, значит перед $H_{2}O$ ставим 2.

Проверка по кислороду: слева $4 \cdot 3 = 12$ атомов, справа $1 \cdot 3 \cdot 3 + 1 + 2 \cdot 1 = 9 + 1 + 2 = 12$ атомов. Все верно.

Ответ: Уравнение реакции: $Fe + 4HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NO + 2H_{2}O$. Восстановитель – железо ($Fe$), окислитель – азотная кислота ($HNO_{3}$ за счет $N^{+5}$).

Реакция с образованием NH₄NO₃

При взаимодействии активных металлов, таких как железо, с очень разбавленной азотной кислотой происходит глубокое восстановление азота до степени окисления -3, в результате чего образуется нитрат аммония.

$Fe + HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NH_{4}NO_{3} + H_{2}O$

Составим электронный баланс, учитывая, что в нитрате аммония ($NH_{4}NO_{3}$) один атом азота имеет степень окисления -3 (в катионе $NH_{4}^{+}$), а другой +5 (в анионе $NO_{3}^{-}$).

$Fe^{0} \rightarrow Fe^{+3}$

$N^{+5} \rightarrow N^{-3}$

Полуреакции:

$Fe^{0} - 3e^{-} \rightarrow Fe^{+3}$ | 8 (процесс окисления, Fe - восстановитель)

$N^{+5} + 8e^{-} \rightarrow N^{-3}$ | 3 (процесс восстановления, $HNO_3$ за счет $N^{+5}$ - окислитель)

Наименьшее общее кратное для 3 и 8 равно 24. Умножаем первую полуреакцию на 8, вторую на 3. Ставим коэффициенты в уравнение:

$8Fe + HNO_{3} \rightarrow 8Fe(NO_{3})_{3} + 3NH_{4}NO_{3} + H_{2}O$

Уравняем азот: справа $8 \cdot 3 + 3 \cdot 2 = 24 + 6 = 30$ атомов азота. Ставим коэффициент 30 перед $HNO_{3}$.

$8Fe + 30HNO_{3} \rightarrow 8Fe(NO_{3})_{3} + 3NH_{4}NO_{3} + H_{2}O$

Уравняем водород: слева 30 атомов. Справа в $3NH_{4}NO_{3}$ содержится $3 \cdot 4 = 12$ атомов водорода. Значит, в молекулах воды должно быть $30 - 12 = 18$ атомов водорода. Ставим коэффициент 9 перед $H_{2}O$.

Проверка по кислороду: слева $30 \cdot 3 = 90$ атомов, справа $8 \cdot 3 \cdot 3 + 3 \cdot 3 + 9 \cdot 1 = 72 + 9 + 9 = 90$ атомов. Все верно.

Ответ: Уравнение реакции: $8Fe + 30HNO_{3} \rightarrow 8Fe(NO_{3})_{3} + 3NH_{4}NO_{3} + 9H_{2}O$. Восстановитель – железо ($Fe$), окислитель – азотная кислота ($HNO_{3}$ за счет $N^{+5}$).