покажи как делать номер 7

Давай разберу медленнее: сначала одна идея, потом один простой пример целиком, и только потом — твои уравнения.

Главная идея

В таких реакциях одни атомы отдают электроны, другие принимают. Электроны не исчезают: сколько кто-то отдал, столько кто-то забрал.

Вся задача сводится к одному: сделать так, чтобы число отданных и принятых электронов совпало. Всё остальное (коэффициенты) — арифметика.

Как считать степени окисления

Нужны всего несколько правил:

• простое вещество (\(\mathrm{O_2}\), \(\mathrm{N_2}\), \(\mathrm{Cl_2}\), \(\mathrm{Fe}\)) — степень \(0\);
• \(\mathrm{O}\) почти всегда \(-2\);
• \(\mathrm{H}\) почти всегда \(+1\);
• металл — по номеру группы: \(\mathrm{Na}\) \(+1\), \(\mathrm{Mg}\) \(+2\), \(\mathrm{Al}\) \(+3\);
• сумма всех степеней в молекуле равна \(0\), в ионе — заряду иона.

Универсальный порядок действий

1. Расставить степени окисления.
2. Найти элементы, которые их изменили. Остальные больше не трогаем.
3. Выписать две полуреакции и посчитать электроны.
4. Уравнять электроны по НОК.
5. Перенести коэффициенты в уравнение, добрать воду и \(\mathrm{H}\)/\(\mathrm{O}\).
6. Проверить по атомам.

Простой пример целиком

\[ \mathrm{Al}+\mathrm{O_2}\rightarrow\mathrm{Al_2O_3} \]

Шаг 1–2. \(\mathrm{Al^0}\to\mathrm{Al^{+3}}\), \(\mathrm{O^0}\to\mathrm{O^{-2}}\).

Шаг 3. Полуреакции:

\[ \mathrm{Al^0}-3e^-\rightarrow\mathrm{Al^{+3}} \]

\[ \mathrm{O_2^0}+4e^-\rightarrow2\mathrm{O^{-2}} \]

Шаг 4. НОК для 3 и 4 — это 12. Значит, алюминия нужно 4 атома, кислорода — 3 молекулы:

\[ 4\mathrm{Al}+3\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{Al_2O_3} \]

Шаг 6. Проверка: \(\mathrm{Al}\): \(4=4\); \(\mathrm{O}\): \(6=6\). Готово.

Теперь твоё уравнение (а)

\[ \mathrm{NH_3}+\mathrm{O_2}\rightarrow\mathrm{N_2}+\mathrm{H_2O} \]

Шаг 1. \(\mathrm{N}\) в \(\mathrm{NH_3}\): из \(x+3\cdot(+1)=0\) получаем \(x=-3\). Кислород в \(\mathrm{O_2}\) — \(0\), в \(\mathrm{H_2O}\) — \(-2\).

Шаг 2. Меняют степень только \(\mathrm{N}\) и \(\mathrm{O}\).

Шаг 3. Главная тонкость: справа азот записан как \(\mathrm{N_2}\), то есть два атома. Поэтому электроны считаем на всю молекулу:

\[ 2\mathrm{N^{-3}}-6e^-\rightarrow\mathrm{N_2^0} \]

\[ \mathrm{O_2^0}+4e^-\rightarrow2\mathrm{O^{-2}} \]

Шаг 4. НОК для 6 и 4 — 12. Первое уравнение умножаем на 2, второе на 3:

\[ 4\mathrm{NH_3}+3\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{N_2}+6\mathrm{H_2O} \]

Шаг 6. \(\mathrm{N}\): \(4=4\); \(\mathrm{H}\): \(12=12\); \(\mathrm{O}\): \(6=6\). Сходится.

Три места, где обычно ломается

1. Молекула с индексом. Если в уравнении \(\mathrm{O_2}\), \(\mathrm{N_2}\), \(\mathrm{Cl_2}\), то электроны относятся ко всей молекуле: \(\mathrm{Cl_2}+2e^-\rightarrow2\mathrm{Cl^-}\).

2. Одно вещество — и окислитель, и восстановитель. Так в уравнении (б): бром \(0\) одновременно уходит и вниз, и вверх. Пишем два направления отдельно, считаем электроны на один атом:

\[ \mathrm{Br^0}+1e^-\rightarrow\mathrm{Br^-} \]

\[ \mathrm{Br^0}-5e^-\rightarrow\mathrm{Br^{+5}} \]

Первую строку умножаем на 5: получаем 5 атомов \(\mathrm{Br^-}\) и 1 атом \(\mathrm{Br^{+5}}\) — всего 6 атомов брома, то есть \(3\mathrm{Br_2}\).

3. Электроны уже равны. В уравнении (в) сера отдаёт 2 электрона, а \(\mathrm{Cl_2}\) забирает 2. НОК равен 2, коэффициенты не удваиваем:

\[ \mathrm{Na_2SO_3}+\mathrm{Cl_2}+\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{Na_2SO_4}+2\mathrm{HCl} \]

Хочешь, дам одно короткое уравнение на отработку — попробуешь сам, а я проверю и покажу, где именно споткнулся?

Короткий ответ: у азота нет одной постоянной степени окисления. Он может быть от \(-3\) до \(+5\) — всё зависит от вещества.

Как её находить

Считаем по общим правилам: \(\mathrm{H}\) — \(+1\), \(\mathrm{O}\) — \(-2\), сумма в молекуле — \(0\), в ионе — заряд иона. Дальше просто решаем уравнение относительно азота.

Частые случаи

Проверим на трёх примерах

\(\mathrm{NH_3}\): \(x+3\cdot(+1)=0\), значит \(x=-3\).

\(\mathrm{NH_4^+}\): здесь сумма равна заряду иона, а не нулю: \(x+4\cdot(+1)=+1\), значит \(x=-3\). То есть в ammonium-ионе азот тоже \(-3\).

\(\mathrm{HNO_3}\): \(x+(+1)+3\cdot(-2)=0\), значит \(x-5=0\), откуда \(x=+5\).

\(\mathrm{NO_3^-}\): \(x+3\cdot(-2)=-1\), значит \(x-6=-1\), откуда \(x=+5\).

Полезно запомнить: в соединениях с водородом и металлами азот обычно отрицательный (\(-3\)), а в кислородных соединениях — положительный, вплоть до \(+5\).

Хочешь, дам 5 коротких веществ (например, \(\mathrm{N_2O_3}\), \(\mathrm{Ca_3N_2}\), \(\mathrm{NO_2}\), \(\mathrm{NH_4NO_3}\), \(\mathrm{KNO_2}\)), и ты определишь степени сам?

Короткий ответ: я решил уравнение. В \(\mathrm{Na_2SO_3}\) два натрия по \(+1\), три кислорода по \(-2\), а в целом молекула нейтральна — сумма должна быть \(0\). Отсюда и находится сера.

По шагам

Шаг 1. Расставляем известное.

• \(\mathrm{Na}\) — металл I группы, значит \(+1\);
• \(\mathrm{O}\) — почти всегда \(-2\);
• \(\mathrm{S}\) — неизвестна, обозначим \(x\).

Шаг 2. Записываем условие нейтральности.

\[ 2\cdot(+1)+x+3\cdot(-2)=0 \]

Шаг 3. Считаем.

\[ 2+x-6=0 \]

\[ x-4=0 \]

\[ x=+4 \]

Значит, сера в \(\mathrm{Na_2SO_3}\) имеет степень окисления \(+4\).

Шаг 4. Проверка. \(2+4-6=0\). Сходится.

Почему это работает

В любой молекуле «плюсы» и «минусы» уравновешивают друг друга. Поэтому достаточно перемножить степень на число атомов, сложить всё и приравнять к нулю (а в ионе — к заряду иона).

Сравнение с сульфатом

В \(\mathrm{Na_2SO_4}\) кислорода на один атом больше:

\[ 2+x+4\cdot(-2)=0 \Rightarrow x=+6 \]

Так что в сульфите сера \(+4\), а в сульфате \(+6\) — именно поэтому сульфит может окисляться до сульфата, отдавая 2 электрона.

Хочешь, проверим этим же способом \(\mathrm{Na_2S_2O_3}\) (тиосульфат)? Там средняя степень серы получается дробной — интересный случай.

Потому что двойка стоит не у степени окисления, а перед атомом кислорода — это коэффициент, то есть количество атомов. И берётся она из \(\mathrm{O_2}\).

В уравнении у тебя есть молекула кислорода:

\[ \mathrm{O_2} \]

В одной такой молекуле два атома кислорода. Поэтому полуреакцию можно записать двумя способами.

На один атом:

\[ \mathrm{O^0+2e^-\rightarrow O^{-2}} \]

На целую молекулу \(\mathrm{O_2}\):

\[ \mathrm{O_2^0+4e^-\rightarrow 2O^{-2}} \]

Здесь \(2\) перед \(\mathrm{O^{-2}}\) означает «два атома кислорода», а не то, что в формуле воды появился индекс 2.

Дальше в уравнении:

\[ 4\mathrm{NH_3}+3\mathrm{O_2}\rightarrow 2\mathrm{N_2}+6\mathrm{H_2O} \]

Слева в трёх молекулах \(\mathrm{O_2}\):

\[ 3\cdot2=6 \text{ атомов кислорода} \]

Справа в воде один атом кислорода на молекулу, значит нужно шесть молекул воды:

\[ 6\mathrm{H_2O} \]

Коэффициент \(6\) ставится перед целой молекулой \(\mathrm{H_2O}\), потому что вода записывается как \(\mathrm{H_2O}\), а не как отдельный атом \(\mathrm{O}\). В самой формуле воды рядом с кислородом индекса нет — там один атом кислорода, а двойка относится к водороду.

Проверка: слева \(3\cdot2=6\) атомов \(\mathrm{O}\), справа \(6\cdot1=6\) атомов \(\mathrm{O}\). Всё сходится.

Коротко: \(4\) — коэффициент перед \(\mathrm{NH_3}\), а \(2\) — коэффициент перед \(\mathrm{N_2}\). Это разные вещества, поэтому коэффициенты разные. Внутри \(\mathrm{N_2}\) ещё есть индекс \(2\): одна молекула азота состоит из двух атомов.

Считаем атомы азота

Слева в каждой молекуле \(\mathrm{NH_3}\) ровно один атом азота (индекса у \(\mathrm{N}\) нет). В четырёх молекулах:

\[ 4\mathrm{NH_3} \rightarrow 4 \text{ атома } \mathrm{N} \]

Справа азот записан как \(\mathrm{N_2}\), то есть в одной молекуле два атома. Чтобы разместить 4 атома, нужно:

\[ 4:2=2 \text{ молекулы } \mathrm{N_2} \]

Поэтому справа и получается \(2\mathrm{N_2}\):

\[ 4\mathrm{NH_3}+3\mathrm{O_2}\rightarrow 2\mathrm{N_2}+6\mathrm{H_2O} \]

Проверка: слева \(4\cdot1=4\) атома \(\mathrm{N}\), справа \(2\cdot2=4\) атома \(\mathrm{N}\). Сходится.

Откуда взялась эта двойка в решении

Она пришла из шага с электронами. Полуреакция записана на целую молекулу \(\mathrm{N_2}\), для неё нужны два атома азота:

\[ 2\mathrm{N^{-3}}-6e^-\rightarrow \mathrm{N_2^0} \]

У кислорода:

\[ \mathrm{O_2^0}+4e^-\rightarrow 2\mathrm{O^{-2}} \]

НОК для 6 и 4 — это 12. Значит, первую строку умножаем на 2:

\[ 4\mathrm{N^{-3}}-12e^-\rightarrow 2\mathrm{N_2^0} \]

Коэффициент \(2\) перед \(\mathrm{N_2}\) и \(4\) перед \(\mathrm{NH_3}\) — это результат этого умножения, а не что-то взятое из условия.

Общее правило

Число атомов элемента равно коэффициент × индекс:

\[ 4\mathrm{NH_3}:\ 4\cdot1=4 \text{ атома } \mathrm{N} \]

\[ 2\mathrm{N_2}:\ 2\cdot2=4 \text{ атома } \mathrm{N} \]

\[ 3\mathrm{O_2}:\ 3\cdot2=6 \text{ атомов } \mathrm{O} \]

\[ 6\mathrm{H_2O}:\ 6\cdot1=6 \text{ атомов } \mathrm{O}, \quad 6\cdot2=12 \text{ атомов } \mathrm{H} \]

Именно поэтому уравнивать уравнение — значит добиться, чтобы эти произведения совпали слева и справа по каждому элементу.