Условие задачи

Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих превращениях:Mn6+ → Mn2+;Cl5+ → Cl-;N3- → N5+На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме: Cu2O + HNO3 → Cu(NO3)2 + NO + H2O

Решение

Ниже приводится подробное решение задачи по неорганической химии с использованием метода «полу‐реакций» (электронного уравнения) для балансировки окислительно­восстановительных реакций.

─────────────────────────────
1. Определим электронные уравнения для каждого превращения

А) Превращение: Mn^(6⁺) → Mn^(2⁺)

При переходе агрегат Mn переходит из степени окисления +6 в +2, что означает присоединение 4 электронов. Электронное уравнение имеет вид:

Mn^(6⁺) + 4e⁻ → Mn^(2⁺)

Такое превращение является восстановлением (на фоне уменьшения степени окисления).

─────────────────────────────
Б) Превращение: Cl^(5⁺) → Cl^(–)

Здесь атом хлора переходит из степени окисления +5 в –1, значит, происходит присоединение 6 электронов (поскольку +5 → –1, изменение на 6 единиц). Электронное уравнение:

Cl^(5⁺) + 6e⁻ → Cl^(–)

Это тоже восстановление.

─────────────────────────────
В) Превращение: N^(3–) → N^(5⁺)

При переходе атом азота из степени –3 в +5 он теряет 8 электронов (разница 8 единиц). Электронное уравнение:

N^(3–) → N^(5⁺) + 8e⁻

Таким образом, данное превращение является окислением.

─────────────────────────────
2. Балансировка уравнения реакции
Cu₂O + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

Данная реакция протекает в кислой среде. Разберём её по полу­реакциям.

I. Окисление меди

В оксиде медь имеет степень окисления +1 (в Cu₂O два Cu – каждый +1, чтобы компенсировать O^(2–)). В соединении Cu(NO₃)₂ медь имеет степень +2, следовательно, происходит окисление меди из +1 в +2. Полуреакция для одного медиона выглядит так:

Cu^(+) → Cu^(2⁺) + e⁻

В формуле Cu₂O содержится 2 атома Cu, и соответствующая полу­реакция будет:

2Cu^(+) → 2Cu^(2⁺) + 2e⁻
или, исходя из исходного вещества,
Cu₂O → 2Cu^(2⁺) + 2e⁻ (при условном переносе кислородного момента в общую систему баланса)

II. Восстановление нитрат‑иона до оксида азота

Наиболее часто используемая полу­реакция для восстановления NO₃⁻ до NO в кислой среде имеет вид:

NO₃⁻ + 4H⁺ + 3e⁻ → NO + 2H₂O

В данной реакции азот переходит из степени окисления +5 (в NO₃⁻) в +2 (в NO), что соответствует присоединению 3 электронов.

Чтобы число электронов, полученных в восстановлении, совместилось с количеством, теряемым при окислении меди, подберём наименьшие целые коэффициенты.

Из оксида меди, одна молекула Cu₂O (содержащая 2Cu^(+)) отдаёт 2e⁻. Для компенсации 3e⁻ в полу­реакции восстановления нужно масштабировать полу­реакции так, чтобы число отдаваемых и приобретаемых электронов совпало.

Наименьшее общее кратное для 2 и 3 – 6. Поэтому умножим полу­реакцию окисления на 3, а полу­реакцию восстановления на 2.

Получаем:

Окисление (×3):
3Cu₂O → 6Cu^(2⁺) + 6e⁻

Восстановление (×2):
2NO₃⁻ + 8H⁺ + 6e⁻ → 2NO + 4H₂O

Теперь сложим обе полу­реакции (электроны сокращаются):

3Cu₂O + 2NO₃⁻ + 8H⁺ → 6Cu^(2⁺) + 2NO + 4H₂O

Однако в заданной реакции медь присутствует в виде Cu(NO₃)₂. Чтобы получить 6Cu^(2⁺) в виде соединения Cu(NO₃)₂, необходимо, чтобы к меди присоединилось 2NO₃⁻ на каждый Cu^(2⁺). Для 6Cu^(2⁺) нужно 6×2 = 12NO₃⁻. Отметим, что в полу­реакции восстановления использовалось только 2NO₃⁻. Таким образом, дополнительные 12NO₃⁻ поступают как «спектаторные» – они не участвуют непосредственно в перераспределении электронов, а обеспечивают образование комплексного иона.

При этом весь источник NO₃⁻ и H⁺ – это молекула азотной кислоты HNO₃, которая при диссоциации дает один NO₃⁻ и один H⁺.

Общая сумма NO₃⁻:
2 (восстановление) + 12 (образование Cu(NO₃)₂) = 14NO₃⁻

И соответственно общее количество HNO₃ равно 14.

Запишем итоговое уравнение, подставляя все участники:

3Cu₂O + 14HNO₃ → 6Cu(NO₃)₂ + 2NO + ?H₂O

Определим число молекул воды по балансу по кислороду и водороду.

Проверка баланса:

• Медь:
Л: 3×2 = 6, Р: 6 (в Cu(NO₃)₂)
• Азот:
Л: 14 (от 14HNO₃), Р: 6×2 = 12 (в Cu(NO₃)₂) + 2 (в NO) = 14
• Водород:
Л: 14 (от 14HNO₃); Р: 2H₂O содержит 4H, неизвестное число молекул воды надо определить так, чтобы было 14
• Кислород:
Л: из Cu₂O: 3×1 = 3, из HNO₃: 14×3 = 42, итого 45
Р: в Cu(NO₃)₂: 6×(2NO₃⁻, где в каждом NO₃⁻ 3O) = 6×6 = 36, в NO: 2×1 = 2, в H₂O: пусть число – x, каждая дает 1O; сумма Р = 36 + 2 + x = 38 + x
Тогда 38 + x = 45 ⟹ x = 7

Проверим водород теперь: 7H₂O содержит 7×2 = 14H, что соответствует.

Таким образом, окончательное уравнение реакции:

3Cu₂O + 14HNO₃ → 6Cu(NO₃)₂ + 2NO + 7H₂O

─────────────────────────────
Вывод:

1. Электронные уравнения для превращений:

• Mn^(6⁺) + 4e⁻ → Mn^(2⁺) (восстановление)
• Cl^(5⁺) + 6e⁻ → Cl^(–) (восстановление)
• N^(3–) → N^(5⁺) + 8e⁻ (окисление)

2. Окончательно сбалансированное уравнение реакции:

3Cu₂O + 14HNO₃ → 6Cu(NO₃)₂ + 2NO + 7H₂O

При балансировке использовались стандартные правила составления и уравнивания «электронных уравнений» для окислительно­восстановительных процессов в кислой среде.