Номер 6, страница 268 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

6. Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в схемах реакций алюминия с концентрированными азотной и серной кислотами при нагревании:

$Al + H_2SO_{4(\text{конц})} \xrightarrow{t} Al_2(SO_4)_3 + H_2O + SO_2\uparrow;$

$Al + HNO_{3(\text{конц})} \xrightarrow{t} Al(NO_3)_3 + NO_2\uparrow + H_2O.$

Для решения данной задачи воспользуемся методом электронного баланса, который основан на том, что в окислительно-восстановительных реакциях число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем.

$Al + H_2SO_{4(конц)} \xrightarrow{t} Al_2(SO_4)_3 + H_2O + SO_2 \uparrow$

Решение:

1. Определим степени окисления элементов, которые изменяются в ходе реакции. Для этого выпишем схему реакции с указанием степеней окисления над соответствующими элементами:

$\stackrel{0}{Al} + H_2\stackrel{+6}{S}O_4 \rightarrow \stackrel{+3}{Al}_2(SO_4)_3 + H_2O + \stackrel{+4}{S}O_2$

Из схемы видно, что степень окисления изменяют:

Алюминий (Al) с 0 до +3. Он отдает электроны, следовательно, является восстановителем и подвергается окислению.

Сера (S) с +6 до +4. Она принимает электроны, следовательно, является окислителем и подвергается восстановлению. Часть серы остается в степени окисления +6 в составе сульфата алюминия.

2. Составим уравнения полуреакций окисления и восстановления (электронный баланс):

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$

$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4}$

3. Найдем наименьшее общее кратное (НОК) для числа отданных (3) и принятых (2) электронов. НОК(3, 2) = 6. Чтобы уравнять число электронов, домножим первую полуреакцию на 2, а вторую на 3:

$\begin{array}{c|c} Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3} & 2 \\ S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4} & 3 \end{array} \left| \begin{array}{c} \text{окисление, восстановитель} \\ \text{восстановление, окислитель} \end{array} \right.$

4. Полученные коэффициенты (2 и 3) используем для расстановки в уравнении реакции. Коэффициент 2 ставим перед $Al$, а 3 — перед продуктом восстановления серы, $SO_2$.

$2Al + H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + H_2O + 3SO_2$

Обратите внимание, что для $Al_2(SO_4)_3$ коэффициент 1 (не пишется), так как в молекуле уже 2 атома алюминия.

5. Уравняем остальные элементы. Сначала уравниваем атомы серы. В правой части уравнения 3 атома серы в $Al_2(SO_4)_3$ и 3 атома в $3SO_2$, что в сумме составляет $3+3=6$ атомов. Следовательно, перед $H_2SO_4$ в левой части ставим коэффициент 6.

$2Al + 6H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + H_2O + 3SO_2$

6. Теперь уравниваем атомы водорода. В левой части в $6H_2SO_4$ содержится $6 \times 2 = 12$ атомов водорода. Чтобы в правой части также было 12 атомов водорода, ставим коэффициент 6 перед $H_2O$.

$2Al + 6H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 6H_2O + 3SO_2$

7. Проверяем правильность расстановки коэффициентов по числу атомов кислорода:

Слева: $6 \times 4 = 24$ атома кислорода.

Справа: $(4 \times 3) + 6 + (2 \times 3) = 12 + 6 + 6 = 24$ атома кислорода.

Число атомов всех элементов в левой и правой частях уравнения равно. Коэффициенты расставлены верно.

Ответ: $2Al + 6H_2SO_{4(конц)} \xrightarrow{t} Al_2(SO_4)_3 + 6H_2O + 3SO_2 \uparrow$

$Al + HNO_{3(конц)} \xrightarrow{t} Al(NO_3)_3 + NO_2 \uparrow + H_2O$

Решение:

1. Определим степени окисления элементов, которые изменяются в ходе реакции:

$\stackrel{0}{Al} + H\stackrel{+5}{N}O_3 \rightarrow \stackrel{+3}{Al}(NO_3)_3 + \stackrel{+4}{N}O_2 + H_2O$

Из схемы видно, что степень окисления изменяют:

Алюминий (Al) с 0 до +3. Он отдает электроны, является восстановителем и окисляется.

Азот (N) с +5 до +4. Он принимает электроны, является окислителем и восстанавливается. Часть азота остается в степени окисления +5 в составе нитрата алюминия.

2. Составим уравнения полуреакций окисления и восстановления:

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$

$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$

3. Найдем НОК для числа отданных (3) и принятых (1) электронов. НОК(3, 1) = 3. Домножим первую полуреакцию на 1, а вторую на 3:

$\begin{array}{c|c} Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3} & 1 \\ N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4} & 3 \end{array} \left| \begin{array}{c} \text{окисление, восстановитель} \\ \text{восстановление, окислитель} \end{array} \right.$

4. Коэффициент 1 ставим перед $Al$, а 3 — перед продуктом восстановления азота, $NO_2$.

$Al + HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + 3NO_2 + H_2O$

5. Уравняем атомы азота. В правой части 3 атома азота в $Al(NO_3)_3$ и 3 атома в $3NO_2$, что в сумме составляет $3+3=6$ атомов. Следовательно, перед $HNO_3$ в левой части ставим коэффициент 6.

$Al + 6HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + 3NO_2 + H_2O$

6. Уравняем атомы водорода. В левой части в $6HNO_3$ содержится 6 атомов водорода. Чтобы в правой части также было 6 атомов водорода, ставим коэффициент 3 перед $H_2O$.

$Al + 6HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + 3NO_2 + 3H_2O$

7. Проверяем правильность расстановки коэффициентов по числу атомов кислорода:

Слева: $6 \times 3 = 18$ атомов кислорода.

Справа: $(3 \times 3) + (2 \times 3) + 3 = 9 + 6 + 3 = 18$ атомов кислорода.

Число атомов всех элементов в левой и правой частях уравнения равно. Коэффициенты расставлены верно.

Ответ: $Al + 6HNO_{3(конц)} \xrightarrow{t} Al(NO_3)_3 + 3NO_2 \uparrow + 3H_2O$