Страница 45 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

Часть II

1. Расставьте коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях с помощью метода электронного баланса:

a) $Cl_2 + KOH \to KClO + \text{____} + \text{____}$

б) $Cl_2 + KOH \to KClO_3 + \text{____} + \text{____}$ (при нагревании)

а) Cl₂ + KOH → KClO + ___ + ___

Решение

Это реакция диспропорционирования, в которой хлор в щелочной среде без нагревания одновременно окисляется и восстанавливается. Продуктами реакции являются гипохлорит калия (KClO), хлорид калия (KCl) и вода (H₂O). Запишем схему реакции:

$Cl_2 + KOH \rightarrow KClO + KCl + H_2O$

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют. Хлор меняет степень окисления с 0 на +1 и -1.

$Cl_2^0 + K^{+1}O^{-2}H^{+1} \rightarrow K^{+1}Cl^{+1}O^{-2} + K^{+1}Cl^{-1} + H_2^{+1}O^{-2}$

Составим метод электронного баланса:

$Cl^0 - 1e^- \rightarrow Cl^{+1}$ | 1 | окисление (Cl₂⁰ — восстановитель)

$Cl^0 + 1e^- \rightarrow Cl^{-1}$ | 1 | восстановление (Cl₂⁰ — окислитель)

Коэффициенты перед окисленной и восстановленной формами хлора равны 1. Ставим их в уравнение перед KClO и KCl.

$Cl_2 + KOH \rightarrow 1 KClO + 1 KCl + H_2O$

Теперь уравняем остальные элементы. В правой части уравнения 2 атома калия (K). Следовательно, в левой части перед KOH ставим коэффициент 2.

$Cl_2 + 2 KOH \rightarrow KClO + KCl + H_2O$

В левой части теперь 2 атома водорода (H) и 2 атома кислорода (O). В правой части для баланса необходим коэффициент 1 перед водой (H₂O). Проверим баланс по кислороду: слева 2 атома, справа 1 в KClO и 1 в H₂O, итого 2. Баланс соблюден.

Итоговое уравнение:

Ответ: $Cl_2 + 2KOH \rightarrow KClO + KCl + H_2O$.

б) Cl₂ + KOH → KClO₃ + ___ + ___ (при нагревании)

Решение

При нагревании реакция диспропорционирования хлора в щелочи идет с образованием хлората калия (KClO₃), хлорида калия (KCl) и воды (H₂O). Запишем схему реакции:

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

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют. Хлор меняет степень окисления с 0 на +5 и -1.

$Cl_2^0 + K^{+1}O^{-2}H^{+1} \rightarrow K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2} + K^{+1}Cl^{-1} + H_2^{+1}O^{-2}$

Составим метод электронного баланса:

$Cl^0 - 5e^- \rightarrow Cl^{+5}$ | 1 | окисление (Cl₂⁰ — восстановитель)

$Cl^0 + 1e^- \rightarrow Cl^{-1}$ | 5 | восстановление (Cl₂⁰ — окислитель)

Из баланса следует, что на 1 атом хлора, окисленный до +5, приходится 5 атомов хлора, восстановленных до -1. Ставим коэффициент 1 перед KClO₃ и 5 перед KCl.

$Cl_2 + KOH \rightarrow 1 KClO_3 + 5 KCl + H_2O$

Уравняем остальные элементы. В правой части всего 6 атомов хлора (1+5), значит, перед Cl₂ слева ставим коэффициент 3 ($3 \times 2 = 6$).

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

В правой части 6 атомов калия (K) (1+5), значит, перед KOH слева ставим коэффициент 6.

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

Наконец, уравняем водород и кислород. Слева 6 атомов водорода, значит, справа перед H₂O ставим коэффициент 3 ($3 \times 2 = 6$). Проверим кислород: слева 6 атомов в 6KOH; справа 3 атома в KClO₃ и 3 атома в 3H₂O, итого 6. Баланс соблюден.

Итоговое уравнение:

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

2. Составьте уравнения реакций, соответствующих следующей схеме:

$Cl_2 \to HCl \xrightarrow{MnO_2} Cl_2 \to KClO_3 \to KCl$

Рассмотрите окислительно-восстановительные реакции с позиций окисления—восстановления.

Решение

1. $Cl_2 \rightarrow HCl$

Для получения хлороводорода из хлора необходимо провести реакцию хлора с водородом. Реакция протекает при освещении (квант света $h\nu$) или нагревании.
Уравнение реакции: $H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$
Это окислительно-восстановительная реакция. Рассмотрим степени окисления элементов:
$H_2^0 + Cl_2^0 \rightarrow 2H^{+1}Cl^{-1}$
Водород ($H_2$) повышает свою степень окисления с 0 до +1, он является восстановителем (подвергается окислению).
Хлор ($Cl_2$) понижает свою степень окисления с 0 до -1, он является окислителем (подвергается восстановлению).
Процессы окисления и восстановления:
$H_2^0 - 2e^- \rightarrow 2H^{+1}$ (процесс окисления)
$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ (процесс восстановления)
Ответ: $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$

2. $HCl \xrightarrow{MnO_2} Cl_2$

Получение хлора из соляной кислоты в лабораторных условиях проводят реакцией концентрированной соляной кислоты с оксидом марганца(IV) при нагревании.
Уравнение реакции: $4HCl_{(конц.)} + MnO_2 \xrightarrow{t} MnCl_2 + Cl_2 \uparrow + 2H_2O$
Это окислительно-восстановительная реакция. Рассмотрим изменение степеней окисления:
$4H^{+1}Cl^{-1} + Mn^{+4}O_2^{-2} \rightarrow Mn^{+2}Cl_2^{-1} + Cl_2^0 + 2H_2^{+1}O^{-2}$
Марганец в $MnO_2$ ($Mn^{+4}$) понижает свою степень окисления до +2, следовательно, $MnO_2$ является окислителем.
Хлор в $HCl$ ($Cl^{-1}$) повышает свою степень окисления до 0, следовательно, $HCl$ является восстановителем. Стоит отметить, что часть ионов хлора не меняет степень окисления, переходя в состав соли $MnCl_2$.
Процессы окисления и восстановления:
$Mn^{+4} + 2e^- \rightarrow Mn^{+2}$ (процесс восстановления)
$2Cl^{-1} - 2e^- \rightarrow Cl_2^0$ (процесс окисления)
Ответ: $4HCl + MnO_2 \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + 2H_2O$

3. $Cl_2 \rightarrow KClO_3$

Для получения хлората калия ($KClO_3$) необходимо пропустить хлор через горячий концентрированный раствор гидроксида калия ($KOH$).
Уравнение реакции: $3Cl_2 + 6KOH_{(конц.)} \xrightarrow{t} KClO_3 + 5KCl + 3H_2O$
Это реакция диспропорционирования, в которой один и тот же элемент (хлор) является одновременно и окислителем, и восстановителем.
Рассмотрим изменение степеней окисления: $3Cl_2^0 + 6K^{+1}O^{-2}H^{+1} \rightarrow K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2} + 5K^{+1}Cl^{-1} + 3H_2^{+1}O^{-2}$
Атомы хлора из $Cl_2^0$ одновременно повышают степень окисления до +5 (в $KClO_3$), выступая как восстановитель, и понижают до -1 (в $KCl$), выступая как окислитель.
Процессы окисления и восстановления:
$Cl_2^0 - 10e^- \rightarrow 2Cl^{+5}$ (процесс окисления)
$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ (процесс восстановления)
Для уравнивания числа отданных и принятых электронов, перед процессом восстановления ставим коэффициент 5. Таким образом, в реакции участвует $1+5=6$ атомов хлора (или 3 молекулы $Cl_2$).
Ответ: $3Cl_2 + 6KOH \rightarrow KClO_3 + 5KCl + 3H_2O$

4. $KClO_3 \rightarrow KCl$

Хлорид калия ($KCl$) можно получить из хлората калия ($KClO_3$) путем его каталитического термического разложения. В качестве катализатора часто используют оксид марганца(IV) $MnO_2$.
Уравнение реакции: $2KClO_3 \xrightarrow{t, MnO_2} 2KCl + 3O_2 \uparrow$
Это внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция.
Рассмотрим изменение степеней окисления: $2K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2} \rightarrow 2K^{+1}Cl^{-1} + 3O_2^0$
Хлор ($Cl^{+5}$) понижает свою степень окисления до -1, являясь окислителем.
Кислород ($O^{-2}$) повышает свою степень окисления до 0, являясь восстановителем.
Процессы окисления и восстановления:
$Cl^{+5} + 6e^- \rightarrow Cl^{-1}$ (процесс восстановления)
$2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$ (процесс окисления)
Наименьшее общее кратное для электронов (6 и 4) равно 12. Поэтому первый процесс умножаем на 2, а второй на 3. Это дает нам коэффициенты: 2 для $KClO_3$ и $KCl$, и 3 для $O_2$.
Ответ: $2KClO_3 \rightarrow 2KCl + 3O_2$