Условие задачи

Составьте электронные и молекулярные уравнения реакции, происходящей при пропускании хлора через горячий раствор гидроксида калия. К какому типу окислительно-восстановительных процессов относится данная реакция?

Решение

Нам необходимо выписать молекулярное и электронное (полуреакционное) уравнения для реакции, когда хлор проходит через горячий раствор гидроксида калия. При таких условиях хлор подвергается диспропорционированию – одновременно и окисляется, и восстанавливается.

Общий вид молекулярного уравнения выглядит так:

3Cl₂ + 6KOH → KClO₃ + 5KCl + 3H₂O

Проверим баланс элементов:
• Хлор: 3 · 2 = 6 атомов; в продуктах KClO₃ содержит 1 атом, а KCl – 5 атомов, всего 1 + 5 = 6.
• Калий: 6 атомов слева, 1 (KClO₃) + 5 (KCl) = 6 атомов справа.
• Кислород: 6 (в 6KOH) слева, 3 (в KClO₃) + 3 (в 3H₂O) = 6 справа.
• Водород: 6 (в 6KOH) слева, 3 · 2 = 6 справа.

Таким образом, уравнение составлено правильно.

Чтобы записать электронное (то есть разложить реакцию на полуреакции) уравнение, полезно рассматривать атом хлора, поскольку в молекулярной форме Cl₂ диспропорционирует так, что одна атомная часть переходит в хлорид (Cl⁻), а другая – в хлорат (ClO₃⁻).

Мы представляем Cl₂ как две части (Cl⁰ + Cl⁰). Тогда запишем полуреакции для каждого атома хлора.

1. Полуреакция восстановления (хлор восстанавливается до Cl⁻):
Cl⁰ + e⁻ → Cl⁻

2. Полуреакция окисления (хлор окисляется до ClO₃⁻). Сначала запишем для кислой среды, а затем переведём в щелочную:
Начинаем с неуравненного варианта:
Cl⁰ → ClO₃⁻
Чтобы уравнять кислород (в ClO₃⁻ – 3 O), добавляем 3H₂O слева:
Cl⁰ + 3H₂O → ClO₃⁻ + ?
Теперь вода даёт 6 атомов водорода, поэтому добавляем 6H⁺ справа:
Cl⁰ + 3H₂O → ClO₃⁻ + 6H⁺ + ?
Определим, сколько электронов должно быть добавлено для уравнивания заряда. Слева заряд 0, справа: (–1 + 6 = +5). Для нейтрализации добавляем 5e⁻ справа:
Cl⁰ + 3H₂O → ClO₃⁻ + 6H⁺ + 5e⁻

3. Теперь объединим полуреакции. Поскольку в диспропорционировании часть атомов Cl⁰ восстанавливается, а часть – окисляется, подберём коэффициенты так, чтобы число обмениваемых электронов совпало. Пусть одна атомная частица окисляется (по полуреакции окисления) и другая восстанавливается (по полуреакции восстановления). Однако чтобы электроны уравнять, умножаем реакцию восстановления на 5:

5 × (Cl⁰ + e⁻ → Cl⁻) даёт:
5Cl⁰ + 5e⁻ → 5Cl⁻

Теперь сложим её с реакцией окисления:
Cl⁰ + 3H₂O → ClO₃⁻ + 6H⁺ + 5e⁻

Суммируя, получаем:
6Cl⁰ + 3H₂O → ClO₃⁻ + 6H⁺ + 5Cl⁻

Поскольку атомы хлора в молекулярном виде представлены как Cl₂, а 6 Cl⁰ соответствует 3Cl₂, запишем чистое ионное уравнение в кислой среде:

3Cl₂ + 3H₂O → ClO₃⁻ + 6H⁺ + 5Cl⁻

Перейдём к щелочной среде (так как реакция идёт в горячем растворе KOH). Для этого к обеим сторонам добавляем 6OH⁻, нейтрализующих 6H⁺:

3Cl₂ + 3H₂O + 6OH⁻ → ClO₃⁻ + 5Cl⁻ + 6H₂O

Сократим обе стороны, вычитая 3H₂O:
3Cl₂ + 6OH⁻ → ClO₃⁻ + 5Cl⁻ + 3H₂O

Это и есть итоговое ионное уравнение в щелочной среде.

Таким образом, мы получили:

Молекулярное уравнение:
3Cl₂ + 6KOH → KClO₃ + 5KCl + 3H₂O

Чистое ионное уравнение (электронное уравнение, полученное суммированием полуреакций) в щелочной среде:
3Cl₂ + 6OH⁻ → ClO₃⁻ + 5Cl⁻ + 3H₂O

Ответ на последний вопрос: данная реакция является примером диспропорционирования (одновременного окисления и восстановления одного и того же элемента).