Условие задачи
Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции:
Cr2(SO4)3 + … + NaOH → Na2CrO4 + NaBr + … + H2O
Определите окислитель и восстановитель.
Решение
Ниже приведено подробное решение задачи по методике электронного баланса, относящееся к дисциплине «Окислительно‑восстановительные реакции в неорганической химии». В данной реакции вещество с хромом(III) (Cr₂(SO₄)₃) окисляется до хромата (Na₂CrO₄), а брOмат (BrO₃⁻) восстанавливается до бромида (NaBr). Поэтому в качестве окислителя выступает ион брOмата (в соединении NaBrO₃), а восстановителем – ион хрома(III) (Cr³⁺) в Cr₂(SO₄)₃.
Ниже приводится пошаговое решение.
─────────────────────────────
1. Определение изменений степеней окисления
• В Cr₂(SO₄)₃ хром имеет степень окисления +3. При переходе в хромат, содержащий ион CrO₄²⁻, степень окисления хрома равна +6. Значит, каждый Cr³⁺ теряет 3 электрона (окисляется).
• В NaBrO₃ брOмат-ион содержит брOмен в степени +5, а в бромиде (Br⁻) степень окисления равна –1. Получается, брOмен при переходе с +5 в –1 приобретает 6 электронов (восстанавливается).
─────────────────────────────
2. Записываем полуреакции в кислой среде (потом переведём их в основные)
А) Окислительная полуреакция (окисление Cr³⁺ до CrO₄²⁻):
Для одного иона Cr³⁺ запишем сначала баланс по кислой среде. Добавляем воду для уравнивания кислорода:
Cr³⁺ + 4 H₂O → CrO₄²⁻ + 8 H⁺
Так как при превращении из +3 в +6 теряется 3 электрона, добавляем электроны:
Cr³⁺ + 4 H₂O → CrO₄²⁻ + 8 H⁺ + 3 e⁻
Умножим данную полуреакцию на 2, поскольку в Cr₂(SO₄)₃ содержится 2 атома хрома:
2 Cr³⁺ + 8 H₂O → 2 CrO₄²⁻ + 16 H⁺ + 6 e⁻
Б) Восстановительная полуреакция (восстановление BrO₃⁻ до Br⁻):
Начнём с брOмат-иона:
BrO₃⁻ + 6 H⁺ + 6 e⁻ → Br⁻ + 3 H₂O
─────────────────────────────
3. Перевод в основные условия
Чтобы получить уравнения для основного раствора, к каждой стороне добавляем одинаковое количество OH⁻, чтобы нейтрализовать H⁺.
А) Для окислительной полуреакции: к обеим частям прибавим 16 OH⁻
2 Cr³⁺ + 8 H₂O + 16 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 16 H⁺ + 16 OH⁻ + 6 e⁻
Заметим, что 16 H⁺ + 16 OH⁻ превращаются в 16 H₂O. Тогда получаем:
2 Cr³⁺ + 8 H₂O + 16 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 16 H₂O + 6 e⁻
Вынесем 8 H₂O:
2 Cr³⁺ + 16 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 8 H₂O + 6 e⁻
Б) Для восстановительной полуреакции: прибавим 6 OH⁻ к обеим частям
BrO₃⁻ + 6 H⁺ + 6 OH⁻ + 6 e⁻ → Br⁻ + 3 H₂O + 6 OH⁻
При этом 6 H⁺ + 6 OH⁻ образуют 6 H₂O:
BrO₃⁻ + 6 H₂O + 6 e⁻ → Br⁻ + 3 H₂O + 6 OH⁻
Упростим, вычтя 3 H₂O с обеих сторон:
BrO₃⁻ + 3 H₂O + 6 e⁻ → Br⁻ + 6 OH⁻
─────────────────────────────
4. Складываем полученные полуреакции
Окислительная:
2 Cr³⁺ + 16 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + 8 H₂O + 6 e⁻
Восстановительная:
BrO₃⁻ + 3 H₂O + 6 e⁻ → Br⁻ + 6 OH⁻
Складываем, сокращая 6 e⁻ и вычитая одинаковые группы OH⁻ и H₂O, если это возможно:
Суммарное уравнение:
2 Cr³⁺ + BrO₃⁻ + 16 OH⁻ + 3 H₂O → 2 CrO₄²⁻ + Br⁻ + 8 H₂O + 6 OH⁻
Перенесём 6 OH⁻ с правой стороны в левую (16 OH⁻ – 6 OH⁻ = 10 OH⁻). Также упростим воду (8 H₂O – 3 H₂O = 5 H₂O на правой стороне):
Итоговое проточный (нет ионов-связок) уравнение для основных условий выглядит так:
2 Cr³⁺ + BrO₃⁻ + 10 OH⁻ → 2 CrO₄²⁻ + Br⁻ + 5 H₂O
─────────────────────────────
5. Записываем полное молекулярное уравнение с учётом ионов‑зрителей
Исходные реагенты:
• Cr₂(SO₄)₃ является источником 2 Cr³⁺ и 3 SO₄²⁻.
• NaBrO₃ является источником 1 BrO₃⁻ и Na⁺.
• NaOH даёт OH⁻ и Na⁺.
Чтобы на левой стороне было 10 OH⁻, необходимо 10 NaOH.
Продукты:
• 2 CrO₄²⁻ в присутствии 4 Na⁺ образуют 2 Na₂CrO₄ (так как Na₂CrO₄ содержит один хромат-ион CrO₄²⁻).
• Br⁻ в присутствии Na⁺ дает NaBr.
• SO₄²⁻ превращаются с Na⁺ в Na₂SO₄. Так как имеется 3 SO₄²⁻, нужно 3 Na₂SO₄ (в каждом – 2 Na⁺).
Теперь определим общее число ионов натрия:
С левой стороны:
Из NaBrO₃: 1 Na⁺
Из NaOH: 10 Na⁺
Итого = 11 Na⁺.
С правой стороны:
В 2 Na₂CrO₄: 2 × 2 = 4 Na⁺
В NaBr: 1 Na⁺
В 3 Na₂SO₄: 3 × 2 = 6 Na⁺
Итого = 4 + 1 + 6 = 11 Na⁺
Таким образом, полное молекулярное уравнение примет вид:
Cr₂(SO₄)₃ + NaBrO₃ + 10 NaOH → 2 Na₂CrO₄ + NaBr + 3 Na₂SO₄ + 5 H₂O
Проверка по атомам:
• Хром: LHS 2, RHS 2.
• Сера: LHS 3, RHS 3.
• Бром: LHS 1, RHS 1.
• Натрий: LHS 1 + 10 = 11, RHS 4 + 1 + 6 = 11.
• Кислород и водород – также сходятся при подсчёте.
─────────────────────────────
6. Определение окислителя и восстановителя
Из проведённого расчёта видно, что:
• Хром(III) (Cr³⁺) из Cr₂(SO₄)₃ окисляется до хромата (CrO₄²⁻) – от +3 до +6, т.е. теряет электроны. Следовательно, Cr³⁺ является восстановителем.
• БрOмат-ион (BrO₃⁻) из NaBrO₃ восстанавливается до бромида (Br⁻) – от +5 до –1, т.е. приобретает электроны. Соответственно, BrO₃⁻ (NaBrO₃) действует как окислитель.
─────────────────────────────
Ответ:
Полное уравнение реакции:
Cr₂(SO₄)₃ + NaBrO₃ + 10 NaOH → 2 Na₂CrO₄ + NaBr + 3 Na₂SO₄ + 5 H₂O
При этом окислителем является NaBrO₃ (точнее, брOмат-ион BrO₃⁻), а восстановителем – Cr³⁺, содержащийся в Cr₂(SO₄)₃.
Это и есть подробное решение задачи с использованием метода электронного баланса в условиях основного раствора, записанное с использованием символов Unicode вместо LaTeX.