Хорошо, давайте разберем реакции, представленные на изображении, и определим, какие из них являются окислительно-восстановительными реакциями (ОВР), а также решим их, если они не уравнены.
На изображении представлены примеры реакций диспропорционирования, которые являются частным случаем ОВР. В этих реакциях один и тот же элемент одновременно и окисляется, и восстанавливается.
Давайте рассмотрим каждую группу реакций.
Реакции диспропорционирования
Это реакции, в которых атомы одного и того же элемента, входящие в состав исходного вещества, повышают и понижают степень окисления.
1. Все галогены, кроме \(F_2\), диспропорционируют в растворах всех щелочей.
При этом получаются две соли — \(МГ\), \(МГО\) и \(H_2O\); при нагревании — две соли: \(МГ\) и \(МГО_3\).
* На холоде:
\[Cl_2 + KOH = KCl + KClO + H_2O\]
Уравняем эту реакцию.
Степени окисления:
\(Cl_2^0\)
\(K^+O^{-2}H^+\)
\(K^+Cl^-\)
\(K^+Cl^+O^{-2}\)
\(H_2^+O^{-2}\)
Хлор изменяет степень окисления:
\(Cl^0 \rightarrow Cl^{-1}\) (восстановление, принимает 1 электрон)
\(Cl^0 \rightarrow Cl^{+1}\) (окисление, отдает 1 электрон)
Составим электронный баланс:
\(Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}\) (восстановление)
\(Cl_2^0 - 2e^- \rightarrow 2Cl^{+1}\) (окисление)
Коэффициенты для \(Cl^{-1}\) и \(Cl^{+1}\) одинаковы.
Суммарно: \(2Cl_2^0 \rightarrow 2Cl^{-1} + 2Cl^{+1}\)
То есть, на 1 молекулу \(Cl_2\) приходится 1 атом, который восстанавливается, и 1 атом, который окисляется.
Для уравнивания:
\[Cl_2 + 2KOH = KCl + KClO + H_2O\]
Проверим атомы:
\(Cl\): 2 слева, 1+1=2 справа.
\(K\): 2 слева, 1+1=2 справа.
\(O\): 2 слева, 1+1=2 справа.
\(H\): 2 слева, 2 справа.
Реакция уравнена.
* При нагревании:
\[Cl_2 + 6KOH = KCl + KClO_3 + H_2O\]
Уравняем эту реакцию.
Степени окисления:
\(Cl_2^0\)
\(K^+O^{-2}H^+\)
\(K^+Cl^-\)
\(K^+Cl^{+5}O_3^{-2}\)
\(H_2^+O^{-2}\)
Хлор изменяет степень окисления:
\(Cl^0 \rightarrow Cl^{-1}\) (восстановление, принимает 1 электрон)
\(Cl^0 \rightarrow Cl^{+5}\) (окисление, отдает 5 электронов)
Составим электронный баланс:
\(Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}\) (восстановление) | \( \times 5 \)
\(Cl_2^0 - 10e^- \rightarrow 2Cl^{+5}\) (окисление) | \( \times 1 \)
Умножаем первое полуреакцию на 5, вторую на 1.
\(5Cl_2^0 + 10e^- \rightarrow 10Cl^{-1}\)
\(Cl_2^0 - 10e^- \rightarrow 2Cl^{+5}\)
Суммируем: \(6Cl_2^0 \rightarrow 10Cl^{-1} + 2Cl^{+5}\)
То есть, 6 молекул \(Cl_2\) дают 10 атомов \(Cl^{-1}\) и 2 атома \(Cl^{+5}\).
Разделим на 2 для упрощения: \(3Cl_2^0 \rightarrow 5Cl^{-1} + Cl^{+5}\)
Подставляем коэффициенты в уравнение:
\[3Cl_2 + 6KOH = 5KCl + KClO_3 + 3H_2O\]
Проверим атомы:
\(Cl\): 3*2 = 6 слева, 5+1=6 справа.
\(K\): 6 слева, 5+1=6 справа.
\(O\): 6 слева, 3+3=6 справа.
\(H\): 6 слева, 3*2=6 справа.
Реакция уравнена.
* Аналогично для брома со стронцием гидроксидом:
На холоде:
\[Br_2 + Sr(OH)_2 = SrBr_2 + Sr(BrO)_2 + H_2O\]
Уравняем эту реакцию.
Степени окисления:
\(Br_2^0\)
\(Sr^{+2}(O^{-2}H^+)_2\)
\(Sr^{+2}Br_2^-\)
\(Sr^{+2}(Br^+O^{-2})_2\)
\(H_2^+O^{-2}\)
Бром изменяет степень окисления:
\(Br^0 \rightarrow Br^{-1}\) (восстановление, принимает 1 электрон)
\(Br^0 \rightarrow Br^{+1}\) (окисление, отдает 1 электрон)
Электронный баланс аналогичен хлору на холоде:
\(Br_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Br^{-1}\)
\(Br_2^0 - 2e^- \rightarrow 2Br^{+1}\)
Суммарно: \(2Br_2^0 \rightarrow 2Br^{-1} + 2Br^{+1}\)
То есть, 1 молекула \(Br_2\) дает 1 атом \(Br^{-1}\) и 1 атом \(Br^{+1}\).
Уравнение:
\[Br_2 + 2Sr(OH)_2 = SrBr_2 + Sr(BrO)_2 + 2H_2O\]
Проверим атомы:
\(Br\): 2 слева, 2+2=4 справа. Неправильно.
Нужно учесть, что \(Sr(BrO)_2\) содержит 2 атома брома.
Значит, в продуктах 2 атома \(Br^{-1}\) и 2 атома \(Br^{+1}\).
Для этого нужно 2 молекулы \(Br_2\).
Давайте пересчитаем.
\(Br_2^0 \rightarrow 2Br^{-1}\) (восстановление)
\(Br_2^0 \rightarrow 2Br^{+1}\) (окисление)
Для получения 2 атомов \(Br^{-1}\) и 2 атомов \(Br^{+1}\) нужно 2 молекулы \(Br_2\).
\[2Br_2 + 4Sr(OH)_2 = 2SrBr_2 + 2Sr(BrO)_2 + 4H_2O\]
Это слишком много.
Давайте вернемся к балансу:
\(Br_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Br^{-1}\)
\(Br_2^0 - 2e^- \rightarrow 2Br^{+1}\)
Для реакции диспропорционирования 1 молекула \(Br_2\) дает 1 атом \(Br^{-1}\) и 1 атом \(Br^{+1}\).
Значит, в продуктах должно быть по одному \(Br^{-1}\) и \(Br^{+1}\) на каждую молекулу \(Br_2\).
В \(SrBr_2\) два \(Br^{-1}\). В \(Sr(BrO)_2\) два \(Br^{+1}\).
Значит, нужно 2 молекулы \(Br_2\).
\[2Br_2 + 2Sr(OH)_2 = SrBr_2 + Sr(BrO)_2 + 2H_2O\]
Проверим атомы:
\(Br\): 2*2 = 4 слева, 2+2=4 справа.
\(Sr\): 2 слева, 1+1=2 справа.
\(O\): 2*2 = 4 слева, 2+2=4 справа.
\(H\): 2*2 = 4 слева, 2*2=4 справа.
Реакция уравнена.
* При нагревании:
\[Br_2 + Sr(OH)_2 = SrBr_2 + Sr(BrO_3)_2 + H_2O\]
Уравняем эту реакцию.
Степени окисления:
\(Br_2^0\)
\(Sr^{+2}(O^{-2}H^+)_2\)
\(Sr^{+2}Br_2^-\)
\(Sr^{+2}(Br^{+5}O_3^{-2})_2\)
\(H_2^+O^{-2}\)
Бром изменяет степень окисления:
\(Br^0 \rightarrow Br^{-1}\) (восстановление, принимает 1 электрон)
\(Br^0 \rightarrow Br^{+5}\) (окисление, отдает 5 электронов)
Электронный баланс:
\(Br_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Br^{-1}\) (восстановление) | \( \times 5 \)
\(Br_2^0 - 10e^- \rightarrow 2Br^{+5}\) (окисление) | \( \times 1 \)
Умножаем первое полуреакцию на 5, вторую на 1.
\(5Br_2^0 + 10e^- \rightarrow 10Br^{-1}\)
\(Br_2^0 - 10e^- \rightarrow 2Br^{+5}\)
Суммируем: \(6Br_2^0 \rightarrow 10Br^{-1} + 2Br^{+5}\)
Разделим на 2: \(3Br_2^0 \rightarrow 5Br^{-1} + Br^{+5}\)
Подставляем коэффициенты в уравнение.
В продуктах \(SrBr_2\) содержит 2 атома \(Br^{-1}\), а \(Sr(BrO_3)_2\) содержит 2 атома \(Br^{+5}\).
Значит, нам нужно 5 молекул \(SrBr_2\) и 1 молекула \(Sr(BrO_3)_2\).
Для этого нужно 5*2 = 10 атомов \(Br^{-1}\) и 1*2 = 2 атома \(Br^{+5}\).
Это соответствует \(6Br_2\).
\[6Br_2 + 6Sr(OH)_2 = 5SrBr_2 + Sr(BrO_3)_2 + 6H_2O\]
Проверим атомы:
\(Br\): 6*2 = 12 слева, 5*2 + 1*2 = 10+2=12 справа.
\(Sr\): 6 слева, 5+1=6 справа.
\(O\): 6*2 = 12 слева, 1*3*2 + 6*1 = 6+6=12 справа.
\(H\): 6*2 = 12 слева, 6*2=12 справа.
Реакция уравнена.
* Аналогично происходят реакции с растворами карбонатов:
На холоде:
\[Cl_2 + K_2CO_3 = KCl + KClO + CO_2\]
Эта реакция не является диспропорционированием хлора в чистом виде, так как появляется \(CO_2\).
Обычно, карбонаты вступают в реакцию с водой, образуя щелочную среду, а затем уже галогены диспропорционируют в этой щелочной среде.
\(K_2CO_3 + H_2O \rightleftharpoons KHCO_3 + KOH\)
То есть, \(KOH\) образуется в растворе.
Если рассматривать реакцию как прямую, то:
Степени окисления:
\(Cl_2^0\)
\(K_2^+C^{+4}O_3^{-2}\)
\(K^+Cl^-\)
\(K^+Cl^+O^{-2}\)
\(C^{+4}O_2^{-2}\)
Хлор изменяет степень окисления:
\(Cl^0 \rightarrow Cl^{-1}\) (восстановление)
\(Cl^0 \rightarrow Cl^{+1}\) (окисление)
Углерод не меняет степень окисления.
Электронный баланс для хлора такой же, как и для \(Cl_2 + KOH\) на холоде.
\[Cl_2 + K_2CO_3 + H_2O = KCl + KClO + KHCO_3\]
Это более корректный вариант, если учитывать, что \(K_2CO_3\) создает щелочную среду.
Но если следовать записи в учебнике, то:
\[Cl_2 + K_2CO_3 = KCl + KClO + CO_2\]
Эта реакция не уравнивается, так как кислород слева 3, справа 3, но углерод слева 1, справа 1.
Если бы это была реакция диспропорционирования хлора, то \(K_2CO_3\) должен был бы быть источником \(OH^-\) или просто средой.
Давайте предположим, что это опечатка и имелась в виду реакция с \(KOH\), образованным из \(K_2CO_3\) и \(H_2O\).
Если же это прямая реакция, то она не является диспропорционированием хлора в присутствии только \(K_2CO_3\), так как \(CO_2\) не является продуктом диспропорционирования хлора.
Возможно, это упрощенная запись, где \(H_2O\) не указана, но подразумевается.
Если добавить \(H_2O\):
\[Cl_2 + K_2CO_3 + H_2O = KCl + KClO + KHCO_3\]
Уравняем:
\(Cl_2^0 \rightarrow Cl^{-1}\)
\(Cl_2^0 \rightarrow Cl^{+1}\)
\[Cl_2 + K_2CO_3 + H_2O = KCl + KClO + KHCO_3\]
Для уравнивания хлора:
\[Cl_2 + 2K_2CO_3 + H_2O = KCl + KClO + 2KHCO_3\]
Проверим:
\(Cl\): 2 слева, 1+1=2 справа.
\(K\): 4 слева, 1+1+2=4 справа.
\(C\): 2 слева, 2 справа.
\(O\): 2*3+1 = 7 слева, 1+1+2*3 = 8 справа. Не уравнено.
Давайте вернемся к исходной записи:
\[Cl_2 + K_2CO_3 = KCl + KClO + CO_2\]
Эта реакция не является корректной с точки зрения стехиометрии и диспропорционирования.
Если бы это была реакция с \(KOH\), то:
\[Cl_2 + 2KOH = KCl + KClO + H_2O\]
Если \(KOH\) образуется из \(K_2CO_3\) и \(H_2O\), то:
\(K_2CO_3 + H_2O \rightarrow 2KOH + CO_2\) (это не совсем так, \(K_2CO_3\) гидролизуется, образуя \(KOH\) и \(KHCO_3\)).
Наиболее вероятно, что в учебнике допущена неточность или упрощение.
Если же мы должны уравнять именно то, что написано:
\[Cl_2 + K_2CO_3 = KCl + KClO + CO_2\]
Это невозможно, так как кислород и водород не уравниваются.
Предположим, что это опечатка и имелась в виду реакция с \(KOH\), а \(CO_2\) - это побочный продукт, который не связан напрямую с диспропорционированием.
Если же это реакция, где \(K_2CO_3\) выступает как источник щелочи, то правильнее было бы:
\[Cl_2 + K_2CO_3 + H_2O \rightarrow KCl + KClO + KHCO_3\]
Но это не соответствует записи.
Давайте предположим, что в записи пропущена вода, и \(CO_2\) образуется из \(K_2CO_3\), а хлор диспропорционирует.
Это очень странная реакция.
Если же это реакция, где \(K_2CO_3\) просто создает щелочную среду, то продукты должны быть \(KCl\), \(KClO\) и \(KHCO_3\).
Давайте оставим эту реакцию как есть, но отметим, что она не является типичной для диспропорционирования галогенов в растворах карбонатов без участия воды.
* При нагревании:
\[Cl_2 + K_2
