Номер 1277, страница 196 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1277. Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в схемах окислительно-восстановительных реакций:

a) $KMnO_4 + HCl \to MnCl_2 + Cl_2 + KCl + H_2O$;

б) $Fe + O_2 \to Fe_3O_4$;

в) $Fe_3O_4 + NH_3 \to Fe + N_2 + H_2O$;

г) $Zn + K_2Cr_2O_7 + H_2SO_4 \to ZnSO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + H_2O$.

а)Решение

Исходная схема реакции: $KMnO_4 + HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + KCl + H_2O$.

1. Определяем степени окисления элементов в каждом соединении:

$K\overset{+1}Mn\overset{+7}O\overset{-2}_4 + H\overset{+1}Cl\overset{-1} \rightarrow Mn\overset{+2}Cl\overset{-1}_2 + \overset{0}{Cl_2} + K\overset{+1}Cl\overset{-1} + H\overset{+1}_2O\overset{-2}$

2. Выявляем элементы, которые изменили свою степень окисления:

• Марганец ($Mn$) переходит из степени окисления +7 в +2. Он принимает электроны, следовательно, $KMnO_4$ является окислителем.
• Часть атомов хлора ($Cl$) переходит из степени окисления -1 в 0. Они отдают электроны, следовательно, $HCl$ является восстановителем.

3. Составляем уравнения полуреакций и находим коэффициенты для электронного баланса:

$Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$ | 2 | окислитель, процесс восстановления

$2Cl^{-1} - 2e^- \rightarrow Cl_2^{0}$ | 5 | восстановитель, процесс окисления

Наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (5 и 2) равно 10. Дополнительные множители: для окислителя — 2, для восстановителя — 5.

4. Расставляем коэффициенты в основном уравнении реакции:

Ставим коэффициент 2 перед соединениями марганца ($KMnO_4$ и $MnCl_2$) и коэффициент 5 перед $Cl_2$.

$2KMnO_4 + HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 + KCl + H_2O$

5. Уравниваем количество атомов остальных элементов:

Слева 2 атома калия ($K$), значит, перед $KCl$ справа ставим коэффициент 2.

$2KMnO_4 + HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 2KCl + H_2O$

Считаем атомы хлора ($Cl$) справа: в $2MnCl_2$ их $2 \cdot 2 = 4$, в $5Cl_2$ их $5 \cdot 2 = 10$, в $2KCl$ их 2. Всего $4 + 10 + 2 = 16$. Значит, перед $HCl$ слева ставим коэффициент 16.

$2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 2KCl + H_2O$

Слева 16 атомов водорода ($H$). Чтобы уравнять их справа, ставим коэффициент 8 перед $H_2O$.

$2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 2KCl + 8H_2O$

Проверяем по кислороду ($O$): слева $2 \cdot 4 = 8$, справа $8 \cdot 1 = 8$. Баланс соблюден.

Ответ: $2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 2KCl + 8H_2O$.

б)Решение

Исходная схема реакции: $Fe + O_2 \rightarrow Fe_3O_4$.

1. Определяем степени окисления:

$\overset{0}{Fe} + \overset{0}{O_2} \rightarrow \overset{+8/3}{Fe_3}\overset{-2}{O_4}$

Оксид железа(II,III) $Fe_3O_4$ является смешанным оксидом ($FeO \cdot Fe_2O_3$), в котором железо имеет степени окисления +2 и +3. Для удобства можно использовать среднюю степень окисления железа +8/3.

2. Выявляем элементы, которые изменили свою степень окисления:

• Железо ($Fe$) переходит из степени окисления 0 в +8/3. Оно отдает электроны, являясь восстановителем.
• Кислород ($O$) переходит из степени окисления 0 в -2. Он принимает электроны, являясь окислителем.

3. Составляем электронный баланс. Учитываем, что в молекуле $Fe_3O_4$ три атома железа, а в молекуле $O_2$ два атома кислорода:

$3Fe^{0} - 8e^- \rightarrow Fe_3^{+8/3}$ (или $3Fe \rightarrow Fe^{+2} + 2Fe^{+3}$) | 1 | восстановитель, окисление

$O_2^{0} + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 2 | окислитель, восстановление

Наименьшее общее кратное для 8 и 4 равно 8. Множители 1 и 2.

4. Расставляем коэффициенты:

Коэффициент 1 (не пишется) перед $Fe_3O_4$ означает, что в реакцию вступают 3 атома $Fe$. Ставим 3 перед $Fe$.

$3Fe + O_2 \rightarrow Fe_3O_4$

Коэффициент 2 ставим перед $O_2$.

$3Fe + 2O_2 \rightarrow Fe_3O_4$

5. Проверяем баланс атомов: слева 3 $Fe$, справа 3 $Fe$; слева $2 \cdot 2 = 4$ $O$, справа 4 $O$. Баланс соблюден.

Ответ: $3Fe + 2O_2 \rightarrow Fe_3O_4$.

в)Решение

Исходная схема реакции: $Fe_3O_4 + NH_3 \rightarrow Fe + N_2 + H_2O$.

1. Определяем степени окисления:

$\overset{+8/3}{Fe_3}\overset{-2}{O_4} + \overset{-3}{N}H_3 \rightarrow \overset{0}{Fe} + \overset{0}{N_2} + H_2O$

2. Выявляем элементы, которые изменили свою степень окисления:

• Железо ($Fe$) из $Fe_3O_4$ переходит из степени окисления +8/3 в 0. Оно принимает электроны, $Fe_3O_4$ — окислитель.
• Азот ($N$) из аммиака $NH_3$ переходит из степени окисления -3 в 0. Он отдает электроны, $NH_3$ — восстановитель.

3. Составляем электронный баланс:

$Fe_3^{+8/3} + 8e^- \rightarrow 3Fe^0$ | 3 | окислитель, восстановление

$2N^{-3} - 6e^- \rightarrow N_2^0$ | 4 | восстановитель, окисление

Наименьшее общее кратное для 8 и 6 равно 24. Множители 3 и 4.

4. Расставляем коэффициенты:

Множитель 3 относится к железу. Ставим 3 перед $Fe_3O_4$ и $3 \cdot 3 = 9$ перед $Fe$.

$3Fe_3O_4 + NH_3 \rightarrow 9Fe + N_2 + H_2O$

Множитель 4 относится к азоту. Ставим 4 перед $N_2$. Для этого нужно $4 \cdot 2 = 8$ атомов азота, значит, ставим 8 перед $NH_3$.

$3Fe_3O_4 + 8NH_3 \rightarrow 9Fe + 4N_2 + H_2O$

5. Уравниваем остальные элементы:

Слева в $3Fe_3O_4$ содержится $3 \cdot 4 = 12$ атомов кислорода. Чтобы уравнять, ставим 12 перед $H_2O$ справа.

$3Fe_3O_4 + 8NH_3 \rightarrow 9Fe + 4N_2 + 12H_2O$

Проверяем водород: слева в $8NH_3$ содержится $8 \cdot 3 = 24$ атома, справа в $12H_2O$ — $12 \cdot 2 = 24$. Баланс соблюден.

Ответ: $3Fe_3O_4 + 8NH_3 \rightarrow 9Fe + 4N_2 + 12H_2O$.

г)Решение

Исходная схема реакции: $Zn + K_2Cr_2O_7 + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + H_2O$.

1. Определяем степени окисления:

$\overset{0}{Zn} + K_2\overset{+6}{Cr_2}O_7 + H_2SO_4 \rightarrow \overset{+2}{Zn}SO_4 + \overset{+3}{Cr_2}(SO_4)_3 + K_2SO_4 + H_2O$

2. Выявляем элементы, которые изменили свою степень окисления:

• Цинк ($Zn$) переходит из степени окисления 0 в +2. Он отдает электроны, являясь восстановителем.
• Хром ($Cr$) переходит из степени окисления +6 в +3. Он принимает электроны, $K_2Cr_2O_7$ — окислитель.

3. Составляем электронный баланс:

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$ | 3 | восстановитель, окисление

$2Cr^{+6} + 6e^- \rightarrow 2Cr^{+3}$ | 1 | окислитель, восстановление

Наименьшее общее кратное для 2 и 6 равно 6. Множители 3 и 1.

4. Расставляем коэффициенты:

Ставим коэффициент 3 перед $Zn$ и $ZnSO_4$.

$3Zn + K_2Cr_2O_7 + H_2SO_4 \rightarrow 3ZnSO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + H_2O$

Коэффициент 1 (не пишется) относится к хрому, поэтому перед $K_2Cr_2O_7$ и $Cr_2(SO_4)_3$ коэффициенты равны 1.

5. Уравниваем остальные элементы:

Калий ($K$): слева 2 атома, значит, перед $K_2SO_4$ справа ставим 1.

Сульфат-ионы ($SO_4^{2-}$): справа их $3+3+1=7$. Значит, перед $H_2SO_4$ слева ставим 7.

$3Zn + K_2Cr_2O_7 + 7H_2SO_4 \rightarrow 3ZnSO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + H_2O$

Водород ($H$): слева $7 \cdot 2 = 14$ атомов. Ставим 7 перед $H_2O$ справа.

$3Zn + K_2Cr_2O_7 + 7H_2SO_4 \rightarrow 3ZnSO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 7H_2O$

Проверяем по кислороду (не в составе $SO_4^{2-}$): слева 7 (в $K_2Cr_2O_7$), справа 7 (в $7H_2O$). Баланс соблюден.

Ответ: $3Zn + K_2Cr_2O_7 + 7H_2SO_4 \rightarrow 3ZnSO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 7H_2O$.