3. Закончить уравнения окислительно-восстановительных реакций методом ионно-электронного баланса:
Указать окислитель и восстановитель, тип ОВР.
1. Реакция: \( \text{Al} + \text{KClO}_4 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow (\text{Al}^{3+}, \text{Cl}^-) \)
Определим степени окисления элементов:
- В \( \text{Al} \): \( \text{Al}^0 \)
- В \( \text{KClO}_4 \): \( \text{K}^+ \), \( \text{O}^{2-} \). Для \( \text{Cl} \): \( +1 + x + 4 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x = +7 \). Значит, \( \text{Cl}^{+7} \)
- В \( \text{H}_2\text{SO}_4 \): \( \text{H}^+ \), \( \text{O}^{2-} \). Для \( \text{S} \): \( 2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x = +6 \). Значит, \( \text{S}^{+6} \)
- В продуктах: \( \text{Al}^{3+} \), \( \text{Cl}^- \)
Составим полуреакции:
Окисление: \( \text{Al}^0 - 3\text{e}^- \rightarrow \text{Al}^{3+} \)
Восстановление: \( \text{Cl}^{+7} + 8\text{e}^- \rightarrow \text{Cl}^- \)
Найдем наименьшее общее кратное для числа электронов (3 и 8) – это 24.
Умножим полуреакции на соответствующие коэффициенты:
\( 8 \cdot (\text{Al}^0 - 3\text{e}^- \rightarrow \text{Al}^{3+}) \)
\( 3 \cdot (\text{Cl}^{+7} + 8\text{e}^- \rightarrow \text{Cl}^-) \)
Получим:
\( 8\text{Al}^0 - 24\text{e}^- \rightarrow 8\text{Al}^{3+} \)
\( 3\text{Cl}^{+7} + 24\text{e}^- \rightarrow 3\text{Cl}^- \)
Сложим полуреакции:
\( 8\text{Al}^0 + 3\text{Cl}^{+7} \rightarrow 8\text{Al}^{3+} + 3\text{Cl}^- \)
Теперь запишем полное ионное уравнение, учитывая среду (кислая, \( \text{H}_2\text{SO}_4 \)):
В кислой среде для уравнивания кислорода используем \( \text{H}_2\text{O} \), для водорода – \( \text{H}^+ \).
Исходные ионы: \( \text{Al} \), \( \text{ClO}_4^- \), \( \text{H}^+ \), \( \text{SO}_4^{2-} \)
Продукты: \( \text{Al}^{3+} \), \( \text{Cl}^- \)
Полуреакция окисления: \( \text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3\text{e}^- \)
Полуреакция восстановления: \( \text{ClO}_4^- + 8\text{H}^+ + 8\text{e}^- \rightarrow \text{Cl}^- + 4\text{H}_2\text{O} \)
Умножаем на коэффициенты:
\( 8\text{Al} \rightarrow 8\text{Al}^{3+} + 24\text{e}^- \)
\( 3\text{ClO}_4^- + 24\text{H}^+ + 24\text{e}^- \rightarrow 3\text{Cl}^- + 12\text{H}_2\text{O} \)
Складываем:
\( 8\text{Al} + 3\text{ClO}_4^- + 24\text{H}^+ \rightarrow 8\text{Al}^{3+} + 3\text{Cl}^- + 12\text{H}_2\text{O} \)
Теперь переведем в молекулярное уравнение. Учитываем, что \( \text{ClO}_4^- \) был из \( \text{KClO}_4 \), а \( \text{H}^+ \) из \( \text{H}_2\text{SO}_4 \). Также образуется \( \text{K}_2\text{SO}_4 \) и \( \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 \).
Для \( 24\text{H}^+ \) нужно \( 12\text{H}_2\text{SO}_4 \). Тогда будет \( 12\text{SO}_4^{2-} \).
Для \( 8\text{Al}^{3+} \) нужно \( 4\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 \), что даст \( 12\text{SO}_4^{2-} \).
Для \( 3\text{ClO}_4^- \) нужно \( 3\text{KClO}_4 \). Тогда будет \( 3\text{K}^+ \).
Для \( 3\text{Cl}^- \) нужно \( 3\text{KCl} \).
Уравнение:
\( 8\text{Al} + 3\text{KClO}_4 + 12\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 4\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{KCl} + 12\text{H}_2\text{O} \)
Проверим баланс атомов:
- Al: \( 8 = 8 \)
- K: \( 3 = 3 \)
- Cl: \( 3 = 3 \)
- S: \( 12 = 12 \)
- H: \( 12 \cdot 2 = 24 \), \( 12 \cdot 2 = 24 \)
- O: \( 3 \cdot 4 + 12 \cdot 4 = 12 + 48 = 60 \), \( 4 \cdot 3 \cdot 4 + 12 = 48 + 12 = 60 \)
Все сбалансировано.
Окислитель: \( \text{KClO}_4 \) (или \( \text{Cl}^{+7} \))
Восстановитель: \( \text{Al} \) (или \( \text{Al}^0 \))
Тип ОВР: Межмолекулярная ОВР
2. Реакция: \( \text{K}_3\text{AsO}_3 + \text{I}_2 + \text{KOH} \rightarrow (\text{AsO}_4^{3-}, \text{I}^-) \)
Определим степени окисления элементов:
- В \( \text{K}_3\text{AsO}_3 \): \( \text{K}^+ \), \( \text{O}^{2-} \). Для \( \text{As} \): \( 3 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x = +3 \). Значит, \( \text{As}^{+3} \)
- В \( \text{I}_2 \): \( \text{I}^0 \)
- В \( \text{KOH} \): \( \text{K}^+ \), \( \text{O}^{2-} \), \( \text{H}^+ \)
- В продуктах: \( \text{AsO}_4^{3-} \). Для \( \text{As} \): \( x + 4 \cdot (-2) = -3 \Rightarrow x = +5 \). Значит, \( \text{As}^{+5} \)
- В продуктах: \( \text{I}^- \)
Составим полуреакции:
Окисление: \( \text{As}^{+3} - 2\text{e}^- \rightarrow \text{As}^{+5} \)
Восстановление: \( \text{I}_2^0 + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^- \)
Найдем наименьшее общее кратное для числа электронов (2 и 2) – это 2.
Умножим полуреакции на соответствующие коэффициенты (в данном случае 1):
\( 1 \cdot (\text{As}^{+3} - 2\text{e}^- \rightarrow \text{As}^{+5}) \)
\( 1 \cdot (\text{I}_2^0 + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^-) \)
Сложим полуреакции:
\( \text{As}^{+3} + \text{I}_2^0 \rightarrow \text{As}^{+5} + 2\text{I}^- \)
Теперь запишем полное ионное уравнение, учитывая среду (щелочная, \( \text{KOH} \)):
В щелочной среде для уравнивания кислорода используем \( \text{H}_2\text{O} \), для водорода – \( \text{OH}^- \).
Исходные ионы: \( \text{AsO}_3^{3-} \), \( \text{I}_2 \), \( \text{OH}^- \)
Продукты: \( \text{AsO}_4^{3-} \), \( \text{I}^- \)
Полуреакция окисления: \( \text{AsO}_3^{3-} + 2\text{OH}^- - 2\text{e}^- \rightarrow \text{AsO}_4^{3-} + \text{H}_2\text{O} \)
Полуреакция восстановления: \( \text{I}_2 + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^- \)
Складываем полуреакции:
\( \text{AsO}_3^{3-} + 2\text{OH}^- + \text{I}_2 \rightarrow \text{AsO}_4^{3-} + \text{H}_2\text{O} + 2\text{I}^- \)
Теперь переведем в молекулярное уравнение. Учитываем, что \( \text{AsO}_3^{3-} \) был из \( \text{K}_3\text{AsO}_3 \), \( \text{OH}^- \) из \( \text{KOH} \), \( \text{AsO}_4^{3-} \) образует \( \text{K}_3\text{AsO}_4 \), а \( \text{I}^- \) образует \( \text{KI} \).
\( \text{K}_3\text{AsO}_3 + \text{I}_2 + 2\text{KOH} \rightarrow \text{K}_3\text{AsO}_4 + 2\text{KI} + \text{H}_2\text{O} \)
Проверим баланс атомов:
- K: \( 3 + 2 = 5 \), \( 3 + 2 = 5 \)
- As: \( 1 = 1 \)
- O: \( 3 + 2 = 5 \), \( 4 + 1 = 5 \)
- I: \( 2 = 2 \)
- H: \( 2 = 2 \)
Все сбалансировано.
Окислитель: \( \text{I}_2 \) (или \( \text{I}^0 \))
Восстановитель: \( \text{K}_3\text{AsO}_3 \) (или \( \text{As}^{+3} \))
Тип ОВР: Межмолекулярная ОВР
3. Реакция: \( \text{I}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow (\text{I}^-, \text{IO}_3^-) \)
Определим степени окисления элементов:
- В \( \text{I}_2 \): \( \text{I}^0 \)
- В продуктах: \( \text{I}^- \)
- В продуктах: \( \text{IO}_3^- \). Для \( \text{I} \): \( x + 3 \cdot (-2) = -1 \Rightarrow x = +5 \). Значит, \( \text{I}^{+5} \)
В этой реакции один и тот же элемент (йод) одновременно окисляется и восстанавливается. Это реакция диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления).
Составим полуреакции:
Восстановление: \( \text{I}_2^0 + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^- \)
Окисление: \( \text{I}_2^0 - 10\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^{+5} \)
Найдем наименьшее общее кратное для числа электронов (2 и 10) – это 10.
Умножим полуреакции на соответствующие коэффициенты:
\( 5 \cdot (\text{I}_2^0 + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^-) \)
\( 1 \cdot (\text{I}_2^0 - 10\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^{+5}) \)
Получим:
\( 5\text{I}_2^0 + 10\text{e}^- \rightarrow 10\text{I}^- \)
\( \text{I}_2^0 - 10\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^{+5} \)
Сложим полуреакции:
\( 6\text{I}_2^0 \rightarrow 10\text{I}^- + 2\text{I}^{+5} \)
Сократим коэффициенты на 2:
\( 3\text{I}_2^0 \rightarrow 5\text{I}^- + \text{I}^{+5} \)
Теперь запишем полное ионное уравнение, учитывая среду (нейтральная, \( \text{H}_2\text{O} \)). В нейтральной среде для уравнивания кислорода и водорода используем \( \text{H}_2\text{O} \) и \( \text{OH}^- \) (или \( \text{H}^+ \)). Обычно такие реакции диспропорционирования йода протекают в щелочной среде.
Предположим, что реакция протекает в щелочной среде (так как образуется \( \text{IO}_3^- \), что характерно для щелочи).
Полуреакция восстановления: \( \text{I}_2 + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^- \)
Полуреакция окисления: \( \text{I}_2 + 12\text{OH}^- - 10\text{e}^- \rightarrow 2\text{IO}_3^- + 6\text{H}_2\text{O} \)
Умножаем на коэффициенты:
\( 5 \cdot (\text{I}_2 + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{I}^-) \)
\( 1 \cdot (\text{I}_2 + 12\text{OH}^- - 10\text{e}^- \rightarrow 2\text{IO}_3^- + 6\text{H}_2