Страница 75 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

2. Получение оксидов азота(II) и азота(IV).

a) В промышленности в несколько стадий:

$N_2 \to NO \to NO_2$

$NH_3 \nearrow$

б) В лаборатории при реакции меди с азотной кислотой:

$Cu + HNO_3(\text{конц.}) = \underline{\hspace{2cm}} + \underline{\hspace{2cm}} + \underline{\hspace{2cm}}$

$Cu + HNO_3(\text{разб.}) = \underline{\hspace{2cm}} + \underline{\hspace{2cm}} + \underline{\hspace{2cm}}$

a) В промышленности в несколько стадий:

В промышленности оксид азота(II) ($NO$) и оксид азота(IV) ($NO_2$) получают в несколько этапов, что является частью процесса производства азотной кислоты.

1. Первая стадия — каталитическое окисление аммиака ($NH_3$) кислородом воздуха на платино-родиевом катализаторе при температуре около 800-950°C. В результате образуется оксид азота(II) ($NO$).
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{катализатор, t} 4NO + 6H_2O$

2. Вторая стадия — окисление полученного оксида азота(II) до оксида азота(IV) ($NO_2$). Эта реакция происходит самопроизвольно при охлаждении газовой смеси в присутствии кислорода.
$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

Ответ: Промышленный способ получения оксидов азота(II) и (IV) включает две стадии, описываемые уравнениями:
$4NH_3 + 5O_2 \rightarrow 4NO + 6H_2O$
$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

б) В лаборатории при реакции меди с азотной кислотой:

Азотная кислота является сильным окислителем, и продукты ее реакции с металлами, такими как медь, зависят от концентрации кислоты.

При реакции меди с концентрированной азотной кислотой ($HNO_3(\text{конц.})$) образуются нитрат меди(II) ($Cu(NO_3)_2$), оксид азота(IV) ($NO_2$) и вода ($H_2O$). Оксид азота(IV) — это газ бурого цвета.
$Cu + 4HNO_3(\text{конц.}) = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$

При реакции меди с разбавленной азотной кислотой ($HNO_3(\text{разб.})$) также образуются нитрат меди(II) и вода, но азотная кислота восстанавливается глубже — до оксида азота(II) ($NO$). Оксид азота(II) — бесцветный газ, который на воздухе окисляется до бурого $NO_2$.
$3Cu + 8HNO_3(\text{разб.}) = 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$

Ответ:
$Cu + HNO_3(\text{конц.}) = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O$
$Cu + HNO_3(\text{разб.}) = 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$

3. Оксид азота(IV) $NO_2$ образует две кислоты:

$NO_2$ + $H_2O$ = _____ + _____,

и соответственно два ряда солей:

$NaOH$ + $NO_2$ = _____ + _____ + _____,

но в присутствии кислорода $NO_2$ + $H_2O$ + $O_2$ = _____

Для последней реакции составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления.

Оксид азота(IV) ($NO_2$) является оксидом с промежуточной степенью окисления азота (+4), поэтому при взаимодействии с водой он диспропорционирует, образуя одновременно две кислоты: азотную ($HNO_3$, степень окисления N = +5) и азотистую ($HNO_2$, степень окисления N = +3).

$2NO_2 + H_2O = HNO_3 + HNO_2$

Ответ: $HNO_3 + HNO_2$

При взаимодействии оксида азота(IV) со щелочью (например, $NaOH$) также происходит реакция диспропорционирования с образованием солей этих двух кислот — нитрата натрия ($NaNO_3$) и нитрита натрия ($NaNO_2$), а также воды.

$2NaOH + 2NO_2 = NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$

Ответ: $NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$

Однако в присутствии сильного окислителя, такого как кислород ($O_2$), оксид азота(IV) окисляется до высшей степени окисления +5, образуя только азотную кислоту ($HNO_3$).

$4NO_2 + 2H_2O + O_2 = 4HNO_3$

Ответ: $4HNO_3$

Для последней реакции ($4NO_2 + 2H_2O + O_2 = 4HNO_3$) составим электронный баланс, укажем окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления.

Решение

Электронный баланс

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:
$N^{+4}$ в молекуле $NO_2$ повышает свою степень окисления до $N^{+5}$ в молекуле $HNO_3$.
$O^0$ в молекуле $O_2$ понижает свою степень окисления до $O^{-2}$ в молекуле $HNO_3$.
Составим уравнения полуреакций и найдем коэффициенты:
$N^{+4} - 1e^- \rightarrow N^{+5}$ | 4
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1

Окислитель и восстановитель

Восстановитель (отдает электроны): $NO_2$ (за счет атома азота $N^{+4}$).
Окислитель (принимает электроны): $O_2$ (за счет атомов кислорода $O^0$).

Процессы окисления и восстановления

Процесс окисления: $N^{+4} - 1e^- \rightarrow N^{+5}$
Процесс восстановления: $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$

Ответ:
Электронный баланс:
$N^{+4} - 1e^- \rightarrow N^{+5}$ | 4
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1
Окислитель: $O_2$.
Восстановитель: $NO_2$.
Процесс окисления: $N^{+4} \rightarrow N^{+5}$.
Процесс восстановления: $O_2^0 \rightarrow 2O^{-2}$.