Условие задачи
Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции:
K2Cr2O7 + HCl → Cl2 + KCl + … + …
Определите окислитель и восстановитель.
Решение
Ниже приведём подробное решение задачи по неорганической химии с использованием метода электронного баланса (метода половинных реакций).
─────────────────────────────
1. Постановка задачи
Дана реакция между калий двократи хроматом и соляной кислотой, при которой происходит окислительно-восстановительное превращение:
K₂Cr₂O₇ + HCl → Cl₂ + KCl + … + …
Наша цель – составить уравнение полной реакции, определить, какие вещества выступают в роли окислителя и восстановителя.
Известно, что в кислой среде двойной оксид хрома в составе дисульфата (на самом деле хром в составе двократи хромата) восстанавливается из степени окисления +6 до Cr³⁺, а хлорид-ионы (Cl⁻) окисляются до хлора (Cl₂). При этом образуются соли: калий хлорид (KCl) и хлорид хрома (CrCl₃), а также вода.
─────────────────────────────
2. Определение полуравнений
А. Восстановление двократи хромата
Исходное – ион Cr₂O₇²⁻ (хром в степени +6) переходит в Cr³⁺ (степень +3). Для восстановления одного иона Cr необходимо принять 3 электрона, а поскольку хромов два, то суммарно получаем 6 электронов. Запишем полуравнение:
Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 e⁻ → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O
Б. Окисление хлорид-ионов
Хлорид-ион (Cl⁻) при окислении образует молекулярный хлор (Cl₂). Изменение степени окисления происходит от –1 к 0. В полуравнении для двух атомов хлора необходимо отдать 2 электрона:
2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
Чтобы число электронов, участвующих в двух полуравнениях, совпало, умножим полуравнение окисления на 3:
3 × (2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻)
Получаем:
6 Cl⁻ → 3 Cl₂ + 6 e⁻
─────────────────────────────
3. Суммирование полуравнений
При сложении полученных полуравнений электроны сократятся:
Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 e⁻ + 6 Cl⁻ → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O + 3 Cl₂ + 6 e⁻
После отмены 6 e⁻ с обеих сторон получаем:
Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 Cl⁻ → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O + 3 Cl₂
─────────────────────────────
4. Восстановление полной реакции
Исходные реагенты – K₂Cr₂O₇ и HCl. Учтём, что K₂Cr₂O₇ содержит 2 K⁺ и ион Cr₂O₇²⁻.
Также следует помнить, что Cr³⁺, образующийся в кислой среде и находясь в избытке хлорид-ионов, в итоге образует хлорид хрома (CrCl₃). Для образования одного молекулы CrCl₃ требуется 3 Cl⁻; таким образом, из 2 Cr³⁺ образуется 2 CrCl₃, потребовав 2 × 3 = 6 Cl⁻.
Получаем, что общее число Cl⁻, необходимое для реакции, равно:
6 Cl⁻ для окислительной половины (образование Cl₂) + 6 Cl⁻ для образования 2 CrCl₃ = 12 Cl⁻.
При этом калиевый ион K⁺, входящий в состав K₂Cr₂O₇, после реакции соединяется с оставшимися свободными хлорид-ионами и образует KCl.
Таким образом, если принять, что все HCl участвуют как источник и H⁺ и Cl⁻, то для компенсации 14 H⁺ (уже учтённых в половинном уравнении восстановления) и получения нужного количества Cl⁻, общее число молекул HCl должно быть равно 14. При этом подсчитаем атомы хлора в HCl: 14 Cl. Из них 6 Cl⁻ участвуют в окислении (образуют Cl₂) и 6 Cl⁻ связываются с Cr³⁺ (образуют 2 CrCl₃). Остаются 2 Cl⁻, которые соединяются с 2 K⁺ (образуют 2 KCl).
Итак, итоговое уравнение имеет вид:
K₂Cr₂O₇ + 14 HCl → 2 KCl + 2 CrCl₃ + 3 Cl₂ + 7 H₂O
Проверим баланс по атомам:
• Калий: слева 2, справа 2.
• Хром: слева 2, справа 2.
• Кислород: слева 7, справа 7 (в виде 7 H₂O).
• Водород: слева 14, справа 14 (7×2).
• Хлор: слева 14; справа: 2 (KCl) + 6 (CrCl₃) + 6 (Cl₂) = 14.
─────────────────────────────
5. Определение окислителя и восстановителя
• Окислитель – вещество, которое принимает электроны, само восстанавливается. Здесь Cr₂O₇²⁻ (хром в K₂Cr₂O₇) принимает 6 электронов и восстанавливается до Cr³⁺ (в CrCl₃). Значит, K₂Cr₂O₇ (точнее, ион Cr₂O₇²⁻) является окислителем.
• Восстановитель – вещество, которое отдает электроны, само окисляется. Здесь Cl⁻ (в HCl) отдаёт электроны, превращаясь в Cl₂. Следовательно, хлорид-ионы (Cl⁻) являются восстановителем.
─────────────────────────────
6. Итог
Полностью уравнение реакции с использованием метода электронного баланса:
K₂Cr₂O₇ + 14 HCl → 2 KCl + 2 CrCl₃ + 3 Cl₂ + 7 H₂O
Окислителем в этой реакции является K₂Cr₂O₇ (точнее, ион Cr₂O₇²⁻), а восстановителем – хлорид-ионы (Cl⁻) из HCl.