Номер 840, страница 138 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

840. Расставьте коэффициенты в схемах окислительно-восстановительных реакций:

а) $Cl_2 + I_2 + H_2O \rightarrow HIO_3 + HCl;$

б) $Cl_2 + Ba(OH)_2 \rightarrow BaCl_2 + Ba(ClO)_2 + H_2O;$

в) $I_2 + KClO_3 \rightarrow KIO_3 + KCl;$

г) $NH_4Br + Cl_2 \rightarrow NH_4Cl + Br_2;$

д) $KClO_3 \rightarrow KCl + O_2;$

е) $CH_4 + Br_2 \rightarrow CH_2Br_2 + HBr;$

ж) $CH_3Cl + O_2 \rightarrow CO_2 + HCl + H_2O.$

Для каждой реакции укажите окислитель и восстановитель.

а) $Cl_2 + I_2 + H_2O \rightarrow HIO_3 + HCl$

Определим степени окисления элементов, чтобы найти окислитель и восстановитель.

$Cl_2^0 + I_2^0 + H_2^{+1}O^{-2} \rightarrow H^{+1}I^{+5}O_3^{-2} + H^{+1}Cl^{-1}$

Йод ($I$) повышает свою степень окисления с 0 до +5, следовательно, $I_2$ – восстановитель (окисляется).

Хлор ($Cl$) понижает свою степень окисления с 0 до -1, следовательно, $Cl_2$ – окислитель (восстанавливается).

Составим электронный баланс:

$I_2^0 - 10e^- \rightarrow 2I^{+5} \quad | \ 1$ (процесс окисления)

$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1} \quad | \ 5$ (процесс восстановления)

Наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (10 и 2) равно 10. Отсюда находим коэффициенты: 1 для йода и 5 для хлора.

$5Cl_2 + 1I_2 + H_2O \rightarrow 2HIO_3 + 10HCl$

Теперь уравняем число атомов водорода и кислорода. В правой части уравнения 6 атомов кислорода (в $2HIO_3$) и 12 атомов водорода ($2$ в $2HIO_3$ и $10$ в $10HCl$). Чтобы уравнять, ставим коэффициент 6 перед $H_2O$ в левой части.

Проверяем: слева $6 \times 2 = 12$ H, $6 \times 1 = 6$ O. Справа $2 \times 1 + 10 \times 1 = 12$ H, $2 \times 3 = 6$ O. Баланс достигнут.

Ответ: $5Cl_2 + I_2 + 6H_2O = 2HIO_3 + 10HCl$; окислитель – $Cl_2$, восстановитель – $I_2$.

б) $Cl_2 + Ba(OH)_2 \rightarrow BaCl_2 + Ba(ClO)_2 + H_2O$

Это реакция диспропорционирования, в которой хлор является и окислителем, и восстановителем.

Определим степени окисления:

$Cl_2^0 + Ba^{+2}(O^{-2}H^{+1})_2 \rightarrow Ba^{+2}Cl_2^{-1} + Ba^{+2}(Cl^{+1}O^{-2})_2 + H_2^{+1}O^{-2}$

Атом хлора ($Cl$) одновременно понижает степень окисления с 0 до -1 (восстановление) и повышает с 0 до +1 (окисление).

Составим электронный баланс:

$Cl_2^0 - 2e^- \rightarrow 2Cl^{+1} \quad | \ 1$ (процесс окисления)

$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1} \quad | \ 1$ (процесс восстановления)

Коэффициенты для окисленной и восстановленной форм хлора равны 1. Это значит, что на 1 молекулу $Cl_2$, которая окислилась, приходится 1 молекула $Cl_2$, которая восстановилась. Всего в реакции участвуют 2 молекулы $Cl_2$.

$2Cl_2 + Ba(OH)_2 \rightarrow 1BaCl_2 + 1Ba(ClO)_2 + H_2O$

В правой части 2 атома бария, значит, в левой части перед $Ba(OH)_2$ ставим коэффициент 2.

$2Cl_2 + 2Ba(OH)_2 \rightarrow BaCl_2 + Ba(ClO)_2 + H_2O$

Теперь уравняем водород и кислород. Слева 4 атома H и 4 атома O. Справа в продуктах уже есть 2 атома O (в $Ba(ClO)_2$). Нам нужно еще 2 атома O и 4 атома H. Это соответствует 2 молекулам воды.

$2Cl_2 + 2Ba(OH)_2 \rightarrow BaCl_2 + Ba(ClO)_2 + 2H_2O$

Проверка: Cl: 4=4, Ba: 2=2, O: 4=4, H: 4=4. Баланс достигнут.

Ответ: $2Cl_2 + 2Ba(OH)_2 = BaCl_2 + Ba(ClO)_2 + 2H_2O$; $Cl_2$ является и окислителем, и восстановителем.

в) $I_2 + KClO_3 \rightarrow KIO_3 + KCl$

Данную схему реакции невозможно сбалансировать, так как нарушается материальный баланс. Если предположить коэффициенты a, b, c, d для $I_2, KClO_3, KIO_3, KCl$ соответственно, то из баланса атомов кислорода следует, что $3b = 3c$, то есть $b=c$. Из баланса атомов хлора следует, что $b=d$. Тогда $c=d$. Однако из баланса атомов калия следует $b = c+d$, что при $c=d=b$ дает $b = b+b$, или $b=0$, что невозможно.

Вероятно, в схеме допущена опечатка. Наиболее химически вероятная реакция между данными реагентами с образованием иодата калия (например, при сплавлении) выглядит так: $I_2 + KClO_3 \rightarrow KIO_3 + Cl_2$. Расставим коэффициенты для этой скорректированной схемы.

Определим степени окисления:

$I_2^0 + K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2} \rightarrow K^{+1}I^{+5}O_3^{-2} + Cl_2^0$

Йод ($I$) окисляется с 0 до +5 ($I_2$ – восстановитель).

Хлор ($Cl$) восстанавливается с +5 до 0 ($KClO_3$ – окислитель).

Составим электронный баланс:

$I_2^0 - 10e^- \rightarrow 2I^{+5} \quad | \ 1$ (процесс окисления)

$2Cl^{+5} + 10e^- \rightarrow Cl_2^0 \quad | \ 1$ (процесс восстановления)

Из баланса следует, что на 1 молекулу $I_2$ требуется 2 иона $Cl^{+5}$, то есть 2 молекулы $KClO_3$.

$I_2 + 2KClO_3 \rightarrow 2KIO_3 + Cl_2$

Проверка: I: 2=2, K: 2=2, Cl: 2=2, O: 6=6. Баланс достигнут.

Ответ: Исходная схема не может быть сбалансирована. Для скорректированной схемы $I_2 + 2KClO_3 = 2KIO_3 + Cl_2$; окислитель – $KClO_3$, восстановитель – $I_2$.

г) $NH_4Br + Cl_2 \rightarrow NH_4Cl + Br_2$

Определим степени окисления. Ион аммония $NH_4^+$ является "наблюдателем" и не изменяет своего состава.

$N^{-3}H_4^{+1}Br^{-1} + Cl_2^0 \rightarrow N^{-3}H_4^{+1}Cl^{-1} + Br_2^0$

Бром ($Br$) повышает степень окисления с -1 до 0 ($NH_4Br$ – восстановитель).

Хлор ($Cl$) понижает степень окисления с 0 до -1 ($Cl_2$ – окислитель).

Составим электронный баланс:

$2Br^{-1} - 2e^- \rightarrow Br_2^0 \quad | \ 1$ (процесс окисления)

$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1} \quad | \ 1$ (процесс восстановления)

Коэффициенты равны 1. Для баланса атомов нам нужно 2 иона $Br^-$ и 2 иона $Cl^-$.

$2NH_4Br + 1Cl_2 \rightarrow 2NH_4Cl + 1Br_2$

Проверка: N: 2=2, H: 8=8, Br: 2=2, Cl: 2=2. Баланс достигнут.

Ответ: $2NH_4Br + Cl_2 = 2NH_4Cl + Br_2$; окислитель – $Cl_2$, восстановитель – $NH_4Br$.

д) $KClO_3 \rightarrow KCl + O_2$

Это реакция внутримолекулярного окисления-восстановления.

Определим степени окисления:

$K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2} \rightarrow K^{+1}Cl^{-1} + O_2^0$

Хлор ($Cl$) понижает степень окисления с +5 до -1 (восстанавливается).

Кислород ($O$) повышает степень окисления с -2 до 0 (окисляется).

Следовательно, вещество $KClO_3$ является одновременно и окислителем (за счет $Cl^{+5}$) и восстановителем (за счет $O^{-2}$).

Составим электронный баланс:

$2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0 \quad | \ 3$ (процесс окисления)

$Cl^{+5} + 6e^- \rightarrow Cl^{-1} \quad | \ 2$ (процесс восстановления)

Наименьшее общее кратное для 4 и 6 равно 12. Коэффициент 3 для кислорода и 2 для хлора.

Это означает, что в реакции участвуют $2$ атома хлора и $3 \times 2 = 6$ атомов кислорода. Это соответствует 2 молекулам $KClO_3$. В результате образуются $2$ молекулы $KCl$ и $3$ молекулы $O_2$.

$2KClO_3 \rightarrow 2KCl + 3O_2$

Проверка: K: 2=2, Cl: 2=2, O: 6=6. Баланс достигнут.

Ответ: $2KClO_3 = 2KCl + 3O_2$; $KClO_3$ является и окислителем, и восстановителем.

е) $CH_4 + Br_2 \rightarrow CH_2Br_2 + HBr$

Определим степени окисления, принимая для H +1 и для Br в соединениях -1.

$C^{-4}H_4^{+1} + Br_2^0 \rightarrow C^0H_2^{+1}Br_2^{-1} + H^{+1}Br^{-1}$

Углерод ($C$) повышает степень окисления с -4 до 0 ($CH_4$ – восстановитель).

Бром ($Br$) понижает степень окисления с 0 до -1 ($Br_2$ – окислитель).

Составим электронный баланс:

$C^{-4} - 4e^- \rightarrow C^0 \quad | \ 1$ (процесс окисления)

$Br_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Br^{-1} \quad | \ 2$ (процесс восстановления)

На 1 атом углерода требуется 2 молекулы $Br_2$.

$1CH_4 + 2Br_2 \rightarrow CH_2Br_2 + HBr$

Уравняем атомы брома и водорода. Слева 4 атома Br, справа в $CH_2Br_2$ уже 2, значит, нужно 2 молекулы $HBr$.

$CH_4 + 2Br_2 \rightarrow CH_2Br_2 + 2HBr$

Проверка: C: 1=1, H: 4=4, Br: 4=4. Баланс достигнут.

Ответ: $CH_4 + 2Br_2 = CH_2Br_2 + 2HBr$; окислитель – $Br_2$, восстановитель – $CH_4$.

ж) $CH_3Cl + O_2 \rightarrow CO_2 + HCl + H_2O$

Определим степени окисления (H: +1, Cl: -1, O: -2).

$C^{-2}H_3^{+1}Cl^{-1} + O_2^0 \rightarrow C^{+4}O_2^{-2} + H^{+1}Cl^{-1} + H_2^{+1}O^{-2}$

Углерод ($C$) повышает степень окисления с -2 до +4 ($CH_3Cl$ – восстановитель).

Кислород ($O$) понижает степень окисления с 0 до -2 ($O_2$ – окислитель).

Составим электронный баланс:

$C^{-2} - 6e^- \rightarrow C^{+4} \quad | \ 2$ (процесс окисления)

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2} \quad | \ 3$ (процесс восстановления)

Наименьшее общее кратное для 6 и 4 равно 12. Коэффициент 2 для углерода и 3 для кислорода.

$2CH_3Cl + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + HCl + H_2O$

Теперь уравняем остальные атомы. Слева 2 атома Cl и 6 атомов H. Значит, справа должно быть 2 молекулы $HCl$.

$2CH_3Cl + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2HCl + H_2O$

В 2HCl уже есть 2 атома H, значит, для баланса 6 атомов H слева нужно еще 4 атома H справа, что соответствует 2 молекулам $H_2O$.

$2CH_3Cl + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2HCl + 2H_2O$

Проверка кислорода: слева $3 \times 2 = 6$ O. Справа $2 \times 2 + 2 \times 1 = 6$ O. Баланс достигнут.

Ответ: $2CH_3Cl + 3O_2 = 2CO_2 + 2HCl + 2H_2O$; окислитель – $O_2$, восстановитель – $CH_3Cl$.