Условие задачи
Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции:
Cr2O3 + … + KOH → KNO2 +K2CrO4 + …
Определите окислитель и восстановитель.
Решение
Ниже приведено подробное решение задачи по химии (окислительно-восстановительные процессы) с использованием метода электронного баланса. В данной задаче необходимо составить уравнение реакции, в которой оксид хрома(III) (Cr₂O₃) в щелочной среде (KOH) при участии нитрат‑иона (NO₃⁻, входящего в состав соль‑КНО₃) окисляется до хромата (K₂CrO₄), а нитрат‑ион восстанавливается до нитрита (KNO₂). После балансировки в ионном виде мы «собираем» соли с соответствующими калиевыми (K⁺) ионами.
Общий вид задачи выглядит так:
Cr₂O₃ + … + KOH → KNO₂ + K₂CrO₄ + …
Мы покажем поэтапное решение.
─────────────────────────────
1. Определяем, какие вещества участвуют в реакции
Необходимо добавить источник NO₃⁻, которым является калиевый нитрат (KNO₃). Таким образом, полное уравнение примет вид (до сборки полных молекул):
Cr₂O₃ + 3 NO₃⁻ + 4 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 3 NO₂⁻ + 2 H₂O
При включении калия (K⁺) получаем молекулярное уравнение:
Cr₂O₃ + 3 KNO₃ + 4 KOH → 2 K₂CrO₄ + 3 KNO₂ + 2 H₂O
Проверим баланс по элементам:
• Хром: 2 (в Cr₂O₃) = 2 (в 2 K₂CrO₄);
• Калий: 3 + 4 = 7 на левой стороне, а справа 2×2 + 3 = 4 + 3 = 7;
• Азот: 3 (в 3 KNO₃) = 3 (в 3 KNO₂);
• Кислород: в Cr₂O₃ (3) + 3×3 = 9 в KNO₃ и 4 в KOH, итого 3 + 9 + 4 = 16; справа: 2×4 = 8 в K₂CrO₄, 3×2 = 6 в KNO₂ и 2 в H₂O, итого 8 + 6 + 2 = 16;
• Водород: 4 (в 4 KOH) = 2×2 (в 2 H₂O).
─────────────────────────────
2. Составляем полное решение методом электронного баланса
Нам нужно выделить два полуравенства: для окисления (Cr из Cr₂O₃ → CrO₄²⁻) и восстановления (NO₃⁻ → NO₂⁻).
─────────────────────────────
А. Полуравнение окисления хрома
Исходное вещество: Cr₂O₃. В нем хром имеет степень окисления +3, а в хромате (CrO₄²⁻) хром переходит в степень +6. Каждому атому Cr приходится потерять по 3 электрона; всего 2×3 = 6 э–.
Шаг 1. Запишем несбалансированное полуравнение:
Cr₂O₃ → 2 CrO₄²⁻
Шаг 2. Балансируем кислород путем добавления H₂O. В Cr₂O₃ – 3 атома кислорода, а в 2 CrO₄²⁻ – 2×4 = 8 кислородов, значит необходимо добавить 5 H₂O к стороне с меньшим числом O:
Cr₂O₃ + 5 H₂O → 2 CrO₄²⁻
Шаг 3. Балансируем водород, добавляя H⁺. Слева теперь 5 H₂O дают 10 H, значит справа нужно добавить 10 H⁺:
Cr₂O₃ + 5 H₂O → 2 CrO₄²⁻ + 10 H⁺
Шаг 4. Балансируем заряд, добавляя электроны. На левой стороне заряд 0, а на правой: 2×(–2) + 10 = –4 + 10 = +6. Так как при окислении электроны теряются, добавляем 6 e– с правой стороны:
Cr₂O₃ + 5 H₂O → 2 CrO₄²⁻ + 10 H⁺ + 6 e–
Чтобы получить уравнение для щелочной среды, нейтрализуем 10 H⁺, добавив 10 OH⁻ к обеим сторонам:
Cr₂O₃ + 5 H₂O + 10 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 10 H⁺ + 10 OH⁻ + 6 e–
Заметим, что 10 H⁺ + 10 OH⁻ дают 10 H₂O, поэтому:
Cr₂O₃ + 5 H₂O + 10 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 10 H₂O + 6 e–
Вычтем 5 H₂O с обеих сторон:
Cr₂O₃ + 10 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 5 H₂O + 6 e–
Это и есть сбалансированное полуравнение окисления в основном растворе.
─────────────────────────────
Б. Полуравнение восстановления нитрата до нитрита
Нитрат (NO₃⁻) восстанавливается до нитрита (NO₂⁻): степень окисления N переходит от +5 к +3, что соответствует приобретению 2 e–.
Шаг 1. Запишем начальное полуравнение:
NO₃⁻ → NO₂⁻
Шаг 2. Балансируем кислород: слева 3 O, справа 2 O; добавляем 1 H₂O на правую сторону:
NO₃⁻ → NO₂⁻ + H₂O
Шаг 3. Балансируем водород: справа H₂O содержит 2 H, значит добавляем 2 H⁺ слева:
2 H⁺ + NO₃⁻ → NO₂⁻ + H₂O
Шаг 4. Балансируем заряд: слева суммарный заряд +2 –1 = +1, справа заряд –1; чтобы разница составила 2, добавляем 2 e– слева (так как при восстановлении электроны присоединяются):
2 H⁺ + NO₃⁻ + 2 e– → NO₂⁻ + H₂O
Переход в основную среду: добавляем 2 OH⁻ к обеим сторонам, чтобы нейтрализовать 2 H⁺:
2 H⁺ + 2 OH⁻ + NO₃⁻ + 2 e– → NO₂⁻ + H₂O + 2 OH⁻
Так как 2 H⁺ + 2 OH⁻ дают 2 H₂O, получаем:
NO₃⁻ + 2 e– + 2 H₂O → NO₂⁻ + H₂O + 2 OH⁻
Сократим, вычитая 1 H₂O с обеих сторон:
NO₃⁻ + 2 e– + H₂O → NO₂⁻ + 2 OH⁻
Это сбалансированное полуравнение восстановления в щелочной среде.
─────────────────────────────
3. Приводим полуравнения к общему виду
Чтобы объединить полуравнения, нужно уравнять число обмениваемых электронов. В реакции окисления выделяется 6 e–, а в восстановлении потребляется 2 e–. Поэтому умножим восстановительное полуравнение на 3:
Умноженное восстановление:
3 NO₃⁻ + 6 e– + 3 H₂O → 3 NO₂⁻ + 6 OH⁻
Теперь суммируем с полуравнением окисления:
Окисление: Cr₂O₃ + 10 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 5 H₂O + 6 e–
Восстановление: 3 NO₃⁻ + 6 e– + 3 H₂O → 3 NO₂⁻ + 6 OH⁻
Складывая, электроны сокращаются:
Cr₂O₃ + 10 OH⁻ + 3 NO₃⁻ + 3 H₂O → 2 CrO₄²⁻ + 5 H₂O + 3 NO₂⁻ + 6 OH⁻
Переносим подобные вещества:
– Водная часть: с обеих сторон есть H₂O: 3 H₂O слева и 5 H₂O справа, вычтем 3 H₂O, получим 2 H₂O справа.
– Гидроксид: 10 OH⁻ слева и 6 OH⁻ справа, остается 4 OH⁻ на левой стороне.
Итак, итоговое уравнение в ионном виде:
Cr₂O₃ + 3 NO₃⁻ + 4 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 3 NO₂⁻ + 2 H₂O
─────────────────────────────
4. Переводим ионное уравнение в молекулярное с участием K⁺
Предполагая, что источник NO₃⁻ – калиевый нитрат (KNO₃), а OH⁻ – калий гидроксид (KOH), учитываем, что калиевые ионы – спектаторные. Подберём число K⁺ так, чтобы число их с обеих сторон совпало.
Слева имеем:
3 KNO₃ (от 3 NO₃⁻) и 4 KOH (от 4 OH⁻) → всего 3 + 4 = 7 K⁺.
Справа необходимо сформировать соли:
– Для 2 CrO₄²⁻ требуется 4 K⁺, чтобы получить 2 K₂CrO₄.
– Для 3 NO₂⁻ требуется 3 K⁺, чтобы получить 3 KNO₂.
Итого, K⁺ = 4 + 3 = 7.
Таким образом, окончательное молекулярное уравнение:
Cr₂O₃ + 3 KNO₃ + 4 KOH → 2 K₂CrO₄ + 3 KNO₂ + 2 H₂O
─────────────────────────────
5. Определяем окислитель и восстановитель
Проанализируем изменение степеней окисления:
– В Cr₂O₃ хром находится в степени +3, а в хромате (CrO₄²⁻) – в степени +6. То есть хром теряет электроны (окисляется) и является восстановителем.
– В нитрате (NO₃⁻) азота степень окисления +5 переходит в нитрит (NO₂⁻) с N в степени +3, то есть нитрат принимает электроны (восстанавливается) и является окислителем.
Таким образом:
• Окислителем является калиевый нитрат KNO₃ (точнее, NO₃⁻).
• Восстановителем является оксид хрома Cr₂O₃.
─────────────────────────────
Ответ:
Окончательное уравнение реакции:
Cr₂O₃ + 3 KNO₃ + 4 KOH → 2 K₂CrO₄ + 3 KNO₂ + 2 H₂O
Окислителем является нитрат‑ион (NO₃⁻, входящий в состав KNO₃), а восстановителем – сам оксид хрома Cr₂O₃.
Это и есть подробное решение задачи с использованием метода электронного баланса в щелочной среде.