Условие задачи
Запишите уравнение реакции магния с концентрированной азотной кислотой. Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты. Укажите окислитель и восстановитель
Решение
Нам дана реакция магния с концентрированной азотной кислотой. По условию надо записать уравнение реакции, расставить коэффициенты методом электронного баланса и определить окислитель и восстановитель.
Мы знаем, что концентрированная HNO₃ приводит к образованию диоксида азота (NO₂). Предполагаемая итоговая реакция имеет вид:
Mg + 4 HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + 2 NO₂ + 2 H₂O
Проверим баланс по атомам:
• Магний: слева 1, справа 1.
• Азот: 4 атома (4 HNO₃) слева, справа 2 атома в Mg(NO₃)₂ и 2 атома в 2 NO₂, итого 4.
• Водород: 4 атома слева, 2·2 = 4 в 2 H₂O.
• Кислород: слева 4×3 = 12, справа 6 (в Mg(NO₃)₂) + 2×2 = 4 (в NO₂) + 2 (в H₂O) = 12.
Таким образом, уравнение атомно-сбалансировано.
Ниже представлено подробное решение с использованием метода электронного баланса.
────────────────────────────
1. Определим изменения степеней окисления.
• Для магния: в элементарном состоянии степень окисления равна 0, в соединении Mg(NO₃)₂ – +2. Значит, Mg отдаёт 2 электрона:
Mg → Mg⁺² + 2 e⁻
• Для азота в азотной кислоте (в ните NO₃⁻) степень окисления равна +5, а в NO₂ – +4. Значит, при превращении NO₃⁻ в NO₂ азот приобретает 1 электрон (происходит снижение степени окисления).
────────────────────────────
2. Запишем полуравнения.
Окислительное полуравнение (окисление магния):
Mg → Mg⁺² + 2 e⁻
Восстановительное полуравнение (восстановление нитрата до диоксида азота). Запишем его для части NO₃⁻:
NO₃⁻ + 2 H⁺ + e⁻ → NO₂ + H₂O
Проверим баланс для восстановления:
• Азот: по 1 атому с каждой стороны.
• Кислород: слева 3 O, справа 2 O (в NO₂) + 1 O (в H₂O) = 3.
• Водород: слева 2 H, справа 2 H (в H₂O).
• Заряд: слева –1 + 2 = +1, после добавления 1 e⁻ (–1) получаем 0, что соответствует нейтральной частице NO₂ + H₂O.
Чтобы число электронов в восстановительном полуравении соответствовало 2 e⁻, умножим его на 2:
2 NO₃⁻ + 4 H⁺ + 2 e⁻ → 2 NO₂ + 2 H₂O
────────────────────────────
3. Суммируем полуравнения.
Складывая:
Окисление: Mg → Mg⁺² + 2 e⁻
Восстановление: 2 NO₃⁻ + 4 H⁺ + 2 e⁻ → 2 NO₂ + 2 H₂O
Получаем:
Mg + 2 NO₃⁻ + 4 H⁺ → Mg⁺² + 2 NO₂ + 2 H₂O
Заметим, что в исходной реакции азотная кислота присутствует в виде HNO₃. При этом 2 NO₃⁻ уже входят в реакцию восстановления, а оставшиеся 2 NO₃⁻ необходимы для образования соли – Mg(NO₃)₂, где Mg⁺² связывается с двумя анионами NO₃⁻.
Таким образом, суммарно для реакции необходимо 4 молекулы HNO₃:
Mg + 4 HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + 2 NO₂ + 2 H₂O
────────────────────────────
4. Определим окислитель и восстановитель.
При реакции:
• Магний (Mg) переходит из степени окисления 0 в +2, отдает электроны, поэтому является восстановителем.
• Нитрат-ион (NO₃⁻) в HNO₃ принимает электроны (азот переходит из +5 в +4 при образовании NO₂), следовательно, азотная кислота выступает в роли окислителя.
────────────────────────────
Ответ:
Уравнение реакции с расставленными коэффициентами:
Mg + 4 HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + 2 NO₂ + 2 H₂O
Окислитель: азотная кислота (NO₃⁻, где азот имеет степень окисления +5);
Восстановитель: магний (Mg, переходящий от 0 к +2).
Таким образом, решение задачи выполнено методом электронного баланса согласно правилам неорганической химии.