Условие задачи
Составьте уравнения полуреакций окисления и восстановления, назовите атом-окислитель и атом-восстановитель. Используя метод электронного баланса, найдите коэффициенты в схемах следующих реакций:
a) Na + Cl2 ⟶ NaCl;P + O2 ⟶ P2O5;HgO ⟶ Hg + O2;H2S + O2 ⟶ SO2 + H2O;NH3 + O2 ⟶ N2 + H2O;
б) NO + O2 ⟶ NO2;Cu(NO3)2 ⟶ CuO + NO2 + O2;H2O2 + HI ⟶ I2 + H2O;S + H2SO4(конц.) ⟶ SO2 + H2O.
Решение
Ниже приводится подробное решение задачи из области неорганической химии (окислительно‑восстановительные реакции) с использованием метода электрοнного баланса. В решении для каждой реакции составляются полуреакции – одна для окисления, другая для восстановления, после чего они комбинируются, и находятся стехиометрические коэффициенты. При этом сразу указываются атом‑окислитель (тот, кто восстанавливается, то есть принимает электроны) и атом‑восстановитель (тот, кто окисляется, отдаёт электроны). Все формулы записаны с использованием символов Unicode, без применения LaTeX‐формата.
─────────────────────────────
ЧАСТЬ (а)
1. Реакция:
Na + Cl₂ → NaCl
Определяем степени окисления:
– Na: 0 → +1
– Cl₂: 0 → –1 в NaCl
Таким образом, натрий (Na) отдает электроны (окисляется), а молекула хлора принимает электроны (восстанавливается).
Полуреакции:
• Окисление (Na):
Na → Na⁺ + e⁻
• Восстановление (Cl₂):
Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻
Чтобы число электронов было одинаковым, умножаем окислительную полуреакцию на 2. Итоговая схема:
2Na + Cl₂ → 2NaCl
Атом‑окислитель: атом хлора (Cl₂),
Атом‑восстановитель: атом натрия (Na).
─────────────────────────────
2. Реакция:
P + O₂ → P₂O₅
В P₂O₅ атом фосфора имеет степень окисления +5, а в элементарном фосфоре P степень окисления равна 0, значит фосфор окисляется (отдает электроны); кислород, наоборот, восстанавливается (принимает электроны, его атомы переходят от 0 к –2).
Для составления полуреакций удобно пара привести реакцию в бездисперсном виде. Рассмотрим схему с учётом двух атомов P и пяти атомов O.
• Окислительная полуреакция (фосфор):
Каждый атом P теряет 5 e⁻
Для 2P:
2P → P₂O₅ + 10e⁻
(При дальнейшем объединении с восстановительной полуреакцией атомы O, ранее “принятые” как O²⁻, входят в состав P₂O₅.)
• Восстановительная полуреакция (кислород):
В молекуле O₂ каждый атом O переходит из 0 в –2, то есть каждый атом O принимает 2 e⁻, а для формирования пяти O (потребных в P₂O₅) необходимо принять суммарно 10 e⁻.
Можно записать (условно, в дискретном виде):
5O (в виде, например, 5O²⁻) + 10e⁻ → 5O²⁻
а затем объединить с 2P⁵⁺, дающими P₂O₅.
В итоге общий баланс по электронам – 10 e⁻ и реакция в кратном виде имеет вид:
4P + 5O₂ → 2P₂O₅
(При выводе конечного соотношения часто пользуются известным результатом.)
Атом‑окислитель: кислород (O₂),
Атом‑восстановитель: фосфор (P).
─────────────────────────────
3. Реакция:
HgO → Hg + O₂
В HgO ртуть имеет степень +2, а кислород – –2. В элементарных продуктах: Hg имеет 0, O₂ – 0. Таким образом, ртуть принимает электроны (восстанавливается), а кислород отдает электроны (окисляется).
Можно составить полуреакции, учитывая, что в одной молекуле HgO содержится один атом O, а для образования O₂ нужно два атома кислорода:
• Полуреакция восстановления ртути:
HgO + 2e⁻ → Hg + O²⁻
(Однако атом O далее участвует в образовании O₂.)
• Полуреакция окисления кислорода:
2O²⁻ → O₂ + 4e⁻
Чтобы число передаваемых электронов совпало, умножим первую полуреакцию на 2:
2HgO + 4e⁻ → 2Hg + 2O²⁻
Затем прибавляем к ней окисление кислорода:
2O²⁻ → O₂ + 4e⁻
Сложив, получаем:
2HgO → 2Hg + O₂
Атом‑окислитель: атом кислорода (O) в HgO (он окисляется от –2 до 0),
Атом‑восстановитель: атом ртути (Hg) в HgO (он восстанавливается от +2 до 0).
─────────────────────────────
4. Реакция:
H₂S + O₂ → SO₂ + H₂O
Определим степени окисления:
– S в H₂S: –2; в SO₂: +4. Значит, атом серы теряет 6 e⁻ (окисляется).
– O₂: 0; в продуктах O имеет значение –2 (в H₂O и SO₂); значит кислород принимает электроны (восстанавливается).
Составим полуреакции в кислой среде (используем воду и H⁺ для балансировки):
а) Окислительная полуреакция (окисление S):
Начальное превращение: H₂S → SO₂
Чтобы сбалансировать кислород, добавляем воду, а для водорода – H⁺:
H₂S + 2H₂O → SO₂ + 6H⁺ + 6e⁻
Пояснение:
– По S: 1 → 1
– По O: слева 2 (из 2H₂O), справа 2 (в SO₂)
– По H: слева 2 + 4 = 6, справа 6 (в 6H⁺)
– Заряд: слева 0, справа +6 – 6 = 0.
б) Восстановительная полуреакция (восстановление O₂):
Стандартная реакция для кислорода в кислой среде:
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Чтобы число электронов совпало (в окислении S потеря 6 e⁻, а в восстановлении O₂ – 4 e⁻), найдем наименьшее общее кратное – 12 e⁻.
Умножаем:
– Окисление S умножаем на 2:
2H₂S + 4H₂O → 2SO₂ + 12H⁺ + 12e⁻
– Восстановление O₂ умножаем на 3:
3O₂ + 12H⁺ + 12e⁻ → 6H₂O
Складываем:
2H₂S + 4H₂O + 3O₂ + 12H⁺ + 12e⁻ → 2SO₂ + 12H⁺ + 12e⁻ + 6H₂O
Упрощая (отменяем 12H⁺, 12e⁻ и сокращая воду, вычитая 4H₂O из 6H₂O):
2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O
Таким образом, итоговая сбалансированная реакция:
2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O
Атом‑окислитель: кислород (O₂),
Атом‑восстановитель: атом серы (S) в молекуле H₂S.
─────────────────────────────
5. Реакция:
NH₃ + O₂ → N₂ + H₂O
Определяем степени окисления:
– N в NH₃: –3, в N₂: 0, то есть каждое N теряет 3 e⁻ (окисляется).
– O₂: 0; в H₂O –2, значит кислород восстанавливается.
Известно, что сбалансированное уравнение этой реакции имеет вид:
4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O
Составим полуреакции в кислой среде.
Окислительная полуреакция (окисление NH₃):
Поскольку 4NH₃ содержат 4 N, а при переходе от –3 к 0 каждый N отдает 3e⁻, суммарно отдаётся 12e⁻.
Для балансировки водорода:
4NH₃ → 2N₂ + 12H⁺ + 12e⁻
Восстановительная полуреакция (восстановление O₂):
Стандартная реакция:
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Умножаем на 3:
3O₂ + 12H⁺ + 12e⁻ → 6H₂O
Складываем:
4NH₃ + 3O₂ + 12H⁺ + 12e⁻ → 2N₂ + 12H⁺ + 12e⁻ + 6H₂O
После сокращения получаем:
4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O
Атом‑окислитель: кислород (O₂),
Атом‑восстановитель: атом азота (N) в NH₃.
─────────────────────────────
ЧАСТЬ (б)
1. Реакция:
NO + O₂ → NO₂
Определяем степени окисления:
– В NO: N имеет +2 (при O = –2),
– В NO₂: N имеет +4 (так как +4 + 2×(–2) = 0).
Таким образом, атом азота в NO окисляется (теряет 2e⁻). Кислород из O₂, переходящий к состоянию –2 в NO₂, восстанавливается.
Составим полуреакции в кислой среде (при необходимости вводим H₂O, H⁺). Часто используют следующий вариант:
Окислительная полуреакция (окисление NO):
Чтобы увеличить число кислородных атомов, добавляем H₂O и H⁺:
NO + H₂O → NO₂ + 2H⁺ + 2e⁻
Поясним баланс:
– N: 1 → 1,
– O: слева 1+1 = 2, справа 2,
– H: слева 2, справа 2,
– заряд: слева 0, справа (2 – 2 = 0).
Восстановительная полуреакция (восстановление O₂):
Стандартная реакция:
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Для согласования электронов умножаем первую полуреакцию на 2:
2NO + 2H₂O → 2NO₂ + 4H⁺ + 2×2e⁻, то есть:
2NO + 2H₂O → 2NO₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Складываем с восстановительной:
2NO + 2H₂O + O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2NO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ + 2H₂O
Отменяем одинаковые слагаемые:
2NO + O₂ → 2NO₂
Итоговое сбалансированное уравнение:
2NO + O₂ → 2NO₂
Атом‑окислитель: кислород (O₂),
Атом‑восстановитель: атом азота (N) в NO.
─────────────────────────────
2. Реакция:
Cu(NO₃)₂ → CuO + NO₂ + O₂
Это реакция разложения медного нитрата при нагревании. Здесь медь остается в степени +2 (в Cu(NO₃)₂ и в CuO), а основное окислительно‑восстановительное преобразование происходит в нитрат-анионе:
– В NO₃⁻ азот имеет степень +5,
– В NO₂ азот имеет степень +4.
То есть азот в нитрате принимает 1e⁻ (восстанавливается). Для образования O₂ часть кислорода (состоящего в NO₃⁻, где O имеет –2) окисляется до элементарного O₂ (0).
Из известных результатов термического разложения Cu(NO₃)₂ получаем сбалансированное уравнение:
2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂ + O₂
Пояснение по электронам (упрощенно):
– 4NO₃⁻ → 4NO₂: каждое NO₃⁻ восстанавливается, принимая 1e⁻, суммарно 4e⁻,
– Окисление части O²⁻ до O₂: 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻.
Таким образом, число полученных и отданных электронов совпадает.
Атом‑окислитель – это атом азота в нитрат-анионе (NO₃⁻), поскольку он переходит из +5 в +4, принимая электроны;
Атом‑восстановитель – атом кислорода (O) в NO₃⁻, который окисляется до O₂ (от –2 до 0).
─────────────────────────────
3. Реакция:
H₂O₂ + HI → I₂ + H₂O
Определяем степени окисления:
– В H₂O₂ кислород имеет степень –1, а в H₂O – –2. Получается, кислород восстанавливается (принимает электроны).
– В HI йод имеет степень –1, а в I₂ – 0, значит, йод окисляется (отдает электроны).
Составляем полуреакции (в кислой среде – в данной реакции кислота уже присутствует в виде HI):
Окислительная полуреакция (окисление йодид-аниона):
2I⁻ → I₂ + 2e⁻
(При этом можно учитывать, что HI является источником I⁻ и одновременно H⁺, но H⁺ компенсируются в восстановительной половинке.)
Восстановительная полуреакция (восстановление перекиси):
Стандартная реакция:
H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O
Складываем обе полуреакции (электроны уже равны):
H₂O₂ + 2HI + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O + I₂ + 2e⁻
При этом, если записывать HI как источник I⁻ и H⁺, получается итоговая форма:
H₂O₂ + 2HI → I₂ + 2H₂O
Таким образом, итоговое уравнение:
H₂O₂ + 2HI → I₂ + 2H₂O
Атом‑окислитель: кислород в H₂O₂ (так как его степень окисления меняется с –1 до –2),
Атом‑восстановитель: йод (I⁻) в HI.
─────────────────────────────
4. Реакция:
S + H₂SO₄ (конц.) → SO₂ + H₂O
Это классическая реакция, в которой элементарная сера (S) одновременно участвует в процессе окисления, а часть серы из концентрированной серной кислоты (где S имеет степень +6) восстанавливается до SO₂ (где S имеет степень +4). То есть здесь происходит так называемая диспропорционирование с участием двух разных форм серы.
Распишем две полуреакции:
• Окислительная полуреакция (окисление элементарной серы):
Элемент S (0) переходит в SO₂, где S имеет +4. При этом S отдает 4e⁻.
Чтобы правильно уравнять атомы водорода и кислорода, запишем:
S + 2H₂O → SO₂ + 4H⁺ + 4e⁻
• Восстановительная полуреакция (восстановление серы серной кислоты):
В H₂SO₄ S имеет +6, а в SO₂ — +4, то есть принимается 2e⁻ на один атом S.
Составим полуреакцию:
H₂SO₄ + 2H⁺ + 2e⁻ → SO₂ + 2H₂O
Чтобы сравнять число электронов, умножим восстановительную полуреакцию на 2 (получим 4e⁻), а окислительную оставим без умножения.
Получаем:
– Окисление: S + 2H₂O → SO₂ + 4H⁺ + 4e⁻
– Восстановление (×2): 2H₂SO₄ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2SO₂ + 4H₂O
Складывая обе, получаем:
S + 2H₂SO₄ + 2H₂O + 4H⁺ + 4e⁻ → SO₂ + 2SO₂ + 4H₂O + 4H⁺ + 4e⁻
После сокращения (4H⁺, 4e⁻, а также воды – слева 2H₂O, справа 4H₂O) получаем:
S + 2H₂SO₄ → 3SO₂ + 2H₂O
Таким образом, итоговая сбалансированная реакция:
S + 2H₂SO₄ (конц.) → 3SO₂ + 2H₂O
Атом‑окислитель: атом серы в H₂SO₄ (S с +6, который восстанавливается до +4),
Атом‑восстановитель: элементарная сера (S с 0, которая окисляется до +4).
─────────────────────────────
Вывод:
Для всех реакций методом электронного баланса были составлены полуреакции. Итоговые ответы:
Часть (а):
1. 2Na + Cl₂ → 2NaCl
Окислитель – Cl₂, восстановитель – Na.
2. 4P + 5O₂ → 2P₂O₅
Окислитель – O₂, восстановитель – P.
3. 2HgO → 2Hg + O₂
Окислитель – O (в HgO), восстановитель – Hg.
4. 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O
Окислитель – O₂, восстановитель – S (в H₂S).
5. 4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O
Окислитель – O₂, восстановитель – N (в NH₃).
Часть (б):
1. 2NO + O₂ → 2NO₂
Окислитель – O₂, восстановитель – N (в NO).
2. 2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂ + O₂
Окислитель – N в NO₃⁻ (снижается с +5 до +4), восстановитель – O (из NO₃⁻, окисляющийся до O₂).
3. H₂O₂ + 2HI → I₂ + 2H₂O
Окислитель – H₂O₂ (O – от –1 до –2), восстановитель – I⁻ (от –1 до 0).
4. S + 2H₂SO₄ (конц.) → 3SO₂ + 2H₂O
Окислитель – S в H₂SO₄ (от +6 до +4), восстановитель – S (от 0 до +4).
Каждая реакция решается по правилам балансировки по электронам, где сначала определяют изменение степеней окисления, затем составляют полуреакции (с добавлением H₂O, H⁺ при необходимости в кислой среде) и, наконец, комбинируют их так, чтобы число отданных и принятых электронов совпало.
Это и есть подробное решение задачи согласно правилам оксидорно-восстановительных реакций без использования LaTeX, с записью формул с помощью символов Unicode.