Условие задачи
Составьте уравнение реакции концентрированной азотной кислоты с медью. укажите степени окисления элементов и расставьте коэффициенты с помощью метода электронного баланса
Решение
Ниже приведён подробный разбор задачи по неорганической химии (окислительно-восстановительные реакции) с использованием метода электронного баланса.
──────────────────────────────
1. Определим степени окисления элементов:
• Медь (Cu) в элементарном состоянии имеет степень окисления 0. В соединении медь (NO₃)₂ медь имеет степень окисления +2 (так как каждая группа (NO₃)⁻ содержит N с +5, а суммарный заряд комплекса должен быть 0).
• Азот в азотной кислоте (HNO₃): кислород всегда –2, водород +1, значит, для N выполняется уравнение: +1 + x + 3×(–2) = 0, откуда x = +5.
• В газе диоксиде азота (NO₂) кислород –2, тогда для N: x + 2×(–2) = 0, откуда x = +4.
Таким образом, при реакции медь окисляется с 0 до +2, а азот восстанавливается с +5 до +4.
──────────────────────────────
2. Запишем полуэлектродные процессы.
А) Окисление меди:
Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ (медь отдаёт 2 электрона)
Б) Восстановление азотной кислоты (точнее, части иона NO₃⁻, где азот восстанавливается с +5 до +4).
Начнём с аниона NO₃⁻:
NO₃⁻ → NO₂
Баланс по кислороду:
Слева 3 кислорода, справа 2; чтобы компенсировать избыток одного кислорода, добавим воду:
NO₃⁻ → NO₂ + H₂O
Баланс по водороду:
Справа 2 атома водорода, добавляем 2H⁺ слева:
NO₃⁻ + 2H⁺ → NO₂ + H₂O
Баланс зарядов:
Левая сторона имеет суммарный заряд: (–1 + 2 = +1), правая – 0. Для нейтрализации добавляем один электрон слева:
NO₃⁻ + 2H⁺ + e⁻ → NO₂ + H₂O
Итак, полуэлектродное уравнение восстановления выглядит так. Поскольку меди отдает 2 электрона, необходимо умножить реакцию восстановления на 2, чтобы число электронов у обоих полупроцессов совпало:
2NO₃⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → 2NO₂ + 2H₂O
──────────────────────────────
3. Складываем полуреакции:
Окисление меди:
Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
Восстановление нитрат-ионов:
2NO₃⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → 2NO₂ + 2H₂O
При сложении электроны взаимно уничтожаются:
Cu + 2NO₃⁻ + 4H⁺ → Cu²⁺ + 2NO₂ + 2H₂O (общий баланс по электронам)
──────────────────────────────
4. Учтём, что реакция проводится с концентрированной азотной кислотой HNO₃, которая является источником как иона NO₃⁻, так и протонов (H⁺). Каждая молекула HNO₃ даёт один NO₃⁻ и один H⁺. Таким образом, чтобы получить 2NO₃⁻ и 4H⁺, необходимо 4 молекулы HNO₃.
Однако, в образовавшемся растворе ионах Cu²⁺ сразу соединяются с оставшимися нитрат-ионами, образуя Cu(NO₃)₂. Для образования одного модуля медного нитрата необходимо 2NO₃⁻:
Cu²⁺ + 2NO₃⁻ → Cu(NO₃)₂
При этом общая реакция примет вид:
Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
Проверим баланс по атомам:
Медь: 1 слева, 1 в Cu(NO₃)₂.
Азот: 4 (из 4HNO₃) слева, а справа : 2 в Cu(NO₃)₂ + 2 в 2NO₂ = 4.
Водород: 4 (из 4HNO₃) слева, 2×2 = 4 в 2H₂O.
Кислород: 4×3 = 12 слева; справа: в Cu(NO₃)₂ – 2×3 = 6, в NO₂ – 2×2 = 4, в H₂O – 2, итого 6 + 4 + 2 = 12.
Таким образом, уравнение реакции уравновешено.
──────────────────────────────
5. Ответ:
Реакция концентрированной азотной кислоты с медью проходит по уравнению:
Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
При этом степени окисления изменяются следующим образом:
Cu: 0 → +2;
N в HNO₃: +5, а в NO₂ – +4 (остальные N в Cu(NO₃)₂ остаются с +5).
Метод электронного баланса показал, что меди отдается 2 электрона, которые принимают два иона NO₃⁻ (каждый принимает 1 электрон), после чего происходит образование NO₂ и H₂O в кислой среде.
──────────────────────────────
Таким образом, мы получили подробное решение задачи по неорганической химии с использованием метода электронного баланса, где все формулы записаны с использованием символов Unicode.