Номер 37, страница 80 - гдз по химии 9 класс сборник задач и упражнений Габриелян, Тригубчак

8. Азот, фосфор и их соединения. Упражнения и задачи для самостоятельного решения - номер 37, страница 80.

Условие.

37. Составьте уравнения химических реакций фосфора с кислотами-окислителями, расставьте коэффициенты с помощью метода электронного баланса.

а) $P + H_2SO_4$(конц.) $\rightarrow$

б) $P + HNO_3$(конц.) $\rightarrow$

в) $P + HNO_3$(разб.) $\rightarrow$

Решение.

Решение 2.

а) P + H₂SO₄(конц.) →

В этой реакции фосфор (P) выступает в роли восстановителя, а концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) — в роли окислителя. Фосфор окисляется до своей высшей степени окисления +5, образуя ортофосфорную кислоту ($H_3PO_4$). Концентрированная серная кислота, в которой сера имеет степень окисления +6, восстанавливается до диоксида серы ($SO_2$), где степень окисления серы +4.

Схема реакции выглядит следующим образом:

$P + H_2SO_4 \rightarrow H_3PO_4 + SO_2 + H_2O$

Определим элементы, изменяющие свои степени окисления, и составим для них электронный баланс:

$P^0 \rightarrow P^{+5}$ (фосфор отдает 5 электронов)

$S^{+6} \rightarrow S^{+4}$ (сера принимает 2 электрона)

Запишем полуреакции окисления и восстановления:

$P^0 - 5e^- \rightarrow P^{+5} \quad | \times 2 \quad$ (процесс окисления, P - восстановитель)

$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4} \quad | \times 5 \quad$ (процесс восстановления, $S^{+6}$ - окислитель)

Наименьшее общее кратное для чисел 5 и 2 равно 10. Отсюда находим коэффициенты: 2 для фосфора и 5 для серы, изменившей степень окисления.

Подставляем коэффициенты в уравнение:

$2P + H_2SO_4 \rightarrow 2H_3PO_4 + 5SO_2 + H_2O$

Теперь уравниваем остальные атомы. Справа 5 атомов серы, значит, перед $H_2SO_4$ слева ставим коэффициент 5.

$2P + 5H_2SO_4 \rightarrow 2H_3PO_4 + 5SO_2 + H_2O$

Уравниваем атомы водорода. Слева $5 \times 2 = 10$ атомов. Справа в $2H_3PO_4$ содержится $2 \times 3 = 6$ атомов. Следовательно, в воде должно быть $10 - 6 = 4$ атома водорода, что соответствует 2 молекулам воды.

$2P + 5H_2SO_4 \rightarrow 2H_3PO_4 + 5SO_2 + 2H_2O$

Проверяем баланс по кислороду. Слева: $5 \times 4 = 20$ атомов. Справа: $(2 \times 4) + (5 \times 2) + (2 \times 1) = 8 + 10 + 2 = 20$ атомов. Уравнение сбалансировано.

Ответ: $2P + 5H_2SO_4(конц.) = 2H_3PO_4 + 5SO_2 + 2H_2O$

б) P + HNO₃(конц.) →

Фосфор (P) реагирует с концентрированной азотной кислотой ($HNO_3$), выступая как восстановитель. Он окисляется до ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$). Азотная кислота является сильным окислителем; азот в степени окисления +5 восстанавливается до диоксида азота ($NO_2$), где его степень окисления +4.

Схема реакции:

$P + HNO_3 \rightarrow H_3PO_4 + NO_2 + H_2O$

Составим электронный баланс для элементов, изменяющих степень окисления:

$P^0 \rightarrow P^{+5}$ (фосфор отдает 5 электронов)

$N^{+5} \rightarrow N^{+4}$ (азот принимает 1 электрон)

Запишем полуреакции:

$P^0 - 5e^- \rightarrow P^{+5} \quad | \times 1 \quad$ (процесс окисления, P - восстановитель)

$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4} \quad | \times 5 \quad$ (процесс восстановления, $N^{+5}$ - окислитель)

Коэффициенты: 1 для фосфора и 5 для азота.

Подставляем коэффициенты в уравнение (коэффициент 1 обычно не пишется):

$P + HNO_3 \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2 + H_2O$

Уравниваем атомы азота. Справа 5 атомов N, значит, перед $HNO_3$ ставим коэффициент 5.

$P + 5HNO_3 \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2 + H_2O$

Уравниваем атомы водорода. Слева 5 атомов H. Справа в $H_3PO_4$ 3 атома H, значит, в воде должно быть $5 - 3 = 2$ атома H, что соответствует 1 молекуле воды.

$P + 5HNO_3 \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2 + H_2O$

Проверяем по кислороду. Слева: $5 \times 3 = 15$ атомов. Справа: $(1 \times 4) + (5 \times 2) + (1 \times 1) = 4 + 10 + 1 = 15$ атомов. Баланс соблюден.

Ответ: $P + 5HNO_3(конц.) = H_3PO_4 + 5NO_2 + H_2O$

в) P + HNO₃(разб.) →

При реакции с разбавленной азотной кислотой фосфор (P) также окисляется до ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$). Однако продукт восстановления азота отличается. В разбавленной кислоте азот ($N^{+5}$) восстанавливается глубже, как правило, до оксида азота(II) (NO), где его степень окисления +2.

Схема реакции (в этой реакции вода является реагентом, а не продуктом, что необходимо для баланса атомов водорода и кислорода):

$P + HNO_3 + H_2O \rightarrow H_3PO_4 + NO$

Составим электронный баланс:

$P^0 \rightarrow P^{+5}$ (фосфор отдает 5 электронов)

$N^{+5} \rightarrow N^{+2}$ (азот принимает 3 электрона)

Запишем полуреакции:

$P^0 - 5e^- \rightarrow P^{+5} \quad | \times 3 \quad$ (процесс окисления, P - восстановитель)

$N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2} \quad | \times 5 \quad$ (процесс восстановления, $N^{+5}$ - окислитель)

Наименьшее общее кратное для 5 и 3 равно 15. Коэффициенты: 3 для фосфора и 5 для азота.

Подставляем коэффициенты в уравнение:

$3P + 5HNO_3 + H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO$

Уравниваем атомы фосфора и азота согласно найденным коэффициентам.

Теперь уравниваем атомы водорода. Справа $3 \times 3 = 9$ атомов H. Слева в $5HNO_3$ есть 5 атомов H. Значит, в воде должно быть $9 - 5 = 4$ атома H. Ставим коэффициент 2 перед $H_2O$.

$3P + 5HNO_3 + 2H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO$

Проверяем баланс по кислороду. Слева: $(5 \times 3) + (2 \times 1) = 15 + 2 = 17$ атомов. Справа: $(3 \times 4) + (5 \times 1) = 12 + 5 = 17$ атомов. Уравнение сбалансировано.

Ответ: $3P + 5HNO_3(разб.) + 2H_2O = 3H_3PO_4 + 5NO$