4. (Углубленный) Методом электронного баланса подберите коэффициенты в реакциях, укажите восстановитель, окислитель и тип окислительно-восстановительной реакции: а) KIO3 + Cl2 + KOH → K5IO6 + KCl + H2O; б) Na2SO3 + K2Cr2O7 + H2SO4 → Na2SO4 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O; в) Pb + PbO2 + H2SO4 → PbSO4 + H2O; г) Al + Fe2O3 → Al2O3 + Fe; д) Cu + HNO3 → Cu(NO3)2 + NO + H2O.
Для нахождения коэффициентов окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса, необходимо сначала определить окислитель и восстановитель, уравнять изменения степеней окисления этих компонентов, а затем подобрать коэффициенты перед молекулами.
а) KIO3 + Cl2 + KOH → K5IO6 + KCl + H2O
В этой реакции йод (I) из KIO3 переходит в степень окисления +7, это окисление, значит KIO3 - окислитель. Хлор из Cl2 переходит в степень окисления -1, это восстановление, значит Cl2 - восстановитель.
\( 2IO_3^- + 12e^- → I_2O_6^{2-} \) (окислитель) \( Cl_2 + 2e^- → 2Cl^- \) (восстановитель)
Суммарное количество электронов в процессах окисления и восстановления должно совпадать (12e^- для йода и 2e^- для хлора). Следовательно, нам нужно взять 6 молекул Cl2 на одну молекулу \( IO_3^- \). Таким образом, уравнение сбалансировано по электронам. Теперь надо сбалансировать оставшиеся элементы и добавить KOH и H2O, чтобы сбалансировать водород и калий.
Уравнение окислительно-восстановительной реакции после балансировки:
\( 2KIO_3 + 12Cl_2 + 20KOH → 2K_5IO_6 + 12KCl + 10H_2O \)
б) Na2SO3 + K2Cr2O7 + H2SO4 → Na2SO4 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
Здесь сера переходит из степени окисления +4 в +6 (окисление, восстановитель - Na2SO3), а хром - с +6 на +3 (восстановление, окислитель - K2Cr2O7).
Сначала уравновесим изменения степеней окисления:
Сера: \( SO_3^{2-} → SO_4^{2-} + 2e^- \) Хром: \( Cr_2O_7^{2-} + 6e^- → 2Cr^{3+} \)
Сбалансируем по электронам (множим реакцию серы на 3 и хрома на 1):
\( 3SO_3^{2-} → 3SO_4^{2-} + 6e^- \) \( Cr_2O_7^{2-} + 6e^- → 2Cr^{3+} \)
Теперь можем сбалансировать остальные элементы.
Уравнение окислительно-восстановительной реакции после балансировки:
\( 3Na_2SO_3 + K_2Cr_2O_7 + 4H_2SO_4 → 3Na_2SO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 4H_2O \)
в) Pb + PbO2 + H2SO4 → PbSO4 + H2O
Один атом свинца остается в степени окисления 0, а другой из степени окисления +4 переходит в +2, что указывает на окислительно-восстановительную реакцию, где один атом свинца и является окислителем и восстановителем одновременно.
Уравнение окислительно-восстановительной реакции после балансировки:
\( Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O \)
г) Al + Fe2O3 → Al2O3 + Fe
Здесь алюминий (Al) переходит из степени окисления 0 в +3 (окисляется, восстановитель), железо (Fe) - из +3 в 0 (восстанавливается, окислитель).
Для балансировки:
\( 2Al → 2Al^{3+} + 6e^- \) \( Fe_2O_3 + 6e^- → 2Fe \)
Сбалансируем остальные элементы.
Уравнение окислительно-восстановительной реакции после балансировки:
\( 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe \)
д) Cu + HNO3 → Cu(NO3)2 + NO + H2O
Тут медь (Cu) окисляется с 0 до +2 (восстановитель), азот в HNO3 восстанавливается с +5 до +2 (окислитель).
Уравновесим изменения степеней окисления для меди и азота:
\( Cu → Cu^{2+} + 2e^- \) \( N^{+5} + 3e^- → N^{+2} \)
Сбалансируем их:
\( 3Cu → 3Cu^{2+} + 6e^- \) \( 2N^{+5} + 6e^- → 2N^{+2} \)
Таким образом, нам потребуется 3 молекулы меди и 2 молекулы азотной кислоты, чтобы уравнять электронный баланс. Также необходимо сбалансировать молекулы воды.
Уравнение окислительно-восстановительной реакции после балансировки:
\( 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O \)
Важно помнить, что окончательную проверку балансирования следует производить, проверяя количество всех атомов с обеих сторон уравнения.
