Для самых смелых

Составление уравнений нестандартных реакций

Составление уравнений химических реакций представляется несложной операцией, смысл которой – подстановка формул веществ в общие схемы, например такие:

1) элемент + кислород = оксид;
2) металл + неметалл = соль;
3) активный металл + вода = основание + водород;
4) кислота + основание = соль + вода.

Однако известны реакции, не укладывающиеся в законы формальной логики. При записи правой части уравнений таких реакций требуется умение рассуждать, какие продукты получатся. Бывает, что процесс протекает в несколько стадий, зависит от мольных соотношений реагентов, температуры и т. п.
Ниже приведены неполные уравнения реакций, которые предлагали на подготовительных курсах в Российском медицинском университете (бывший 2-й Московский государственный медицинский институт им. Н.И.Пирогова).
Изучение этого материала включено в программу по химии для 9-го класса общеобразовательных школ. Здесь мы приводим составление уравнений повышенной сложности.
Заметим, что в нашем распоряжении имелись только задания, без ответов к ним. Попробуйте и вы самостоятельно сориентироваться в незнакомой ситуации. Подобные задачи часто встречаются на олимпиадах, в вопросах конкурсных экзаменов в вуз. Их можно использовать при организации школьных олимпиад.

ЗАДАНИЯ

ОТВЕТЫ

1. Что случится с тремя предложенными веществами при нагревании? Активный металл магний восстанавливает хром из его оксида. Нитрат серебра при этом разлагается до металлического серебра, диоксида азота и кислорода. Кроме того, магний захватывает один из двух атомов кислорода молекулы NO₂, переводя ее в монооксид NO, и связывает молекулярный кислород, полученный при разложении AgNO₃. Схема процесса:

Заметим, что в зависимости от мольных соотношений реагентов Сr₂О₃ и AgNO₃, например, равных 1:2 (вариант 1) или 1:1 (вариант 2), коэффициенты в уравнении реакции будут разными.
Поскольку в формуле Сr₂О₃ два атома хрома, то при составлении электронного баланса удваиваем число атомов хрома. Коэффициенты при атомах серебра и азота в варианте 1 равны 2, а в варианте 2 равны 1. Соответственно коэффициенты при атомах магния будут 7 (вариант 1) и 5 (вариант 2).

ИТОГОВЫЕ УРАВНЕНИЯ

Вариант 1

Вариант 2

2. Здесь проблема в том, какой оксид азота – NО или NО₂ – выделяется в реакции. Вероятно, диоксид NО₂, образующийся при распаде АgNO₃, отдает один атом кислорода атому металла. Нитрат серебра, в котором восстанавливаются атомы и , взят в избытке. Значит, медь в Cu₂O будет окисляться так же, как и цинк. Поэтому схема реакции имеет вид:

Считаем, что цинк и оксид меди(I) взяты в эквимолярных количествах, следовательно, в электронном балансе необходимо удвоить число атомов меди.

Запишем уравнение реакции с коэффициентами:

Предполагая, что выделяется газ NО₂, определим коэффициенты в уравнении реакции.

Для уравнивания числа перемещенных электронов исходные вещества необходимо взять в мольных соотношениях:

3. Дело сводится к первоначальному взаимодействию хлора с водой:

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO.

Одна из образующихся кислот хлора – НСlO – в условиях реакции (нагревание) разлагается на хлористый водород и кислород:

Реакция обмена между соляной кислотой и гидрокарбонатом бария протекает с выделением углекислого газа и образованием соли ВаСl₂ и воды.
Из уравнений реакций образования НCl видно, что для получения молекулы О₂ требуется две молекулы Cl₂. Остальные коэффициенты легко определяются:

Необычность уравнения в том, что в его левой и правой частях присутствуют формулы молекулы воды. Таким образом задаются условия протекания реакции (в водной среде).

4. В предлагаемой схеме атом азота в оксиде N₂O₅ находится в степени окисления +5. В результате химической реакции более электрофильный атом азота сильного окислителя N₂O₅ будет отнимать электроны у атома фосфора, окисляя его до максимально возможной степени окисления . Ожидаемые продукты реакции – оксид азота NO (а) или NO₂ (б) и фосфорная кислота Н₃РО₄.

5. В предложенной твердофазной реакции углерод будет восстанавливать серу из ее соли. Наверное, указание, что углерод в избытке, подсказывает нам один из продуктов реакции – сульфид натрия Na₂S (сера восстанавливается до своей минимальной степени окисления ). Другой продукт окислительно-восстановительной реакции в этих условиях – монооксид углерода СО:

6. Будем считать, что сначала протекает реакция обмена с образованием осадка карбоната бария:

Однако на этом реакция не останавливается. Сода Na₂СO₃ в водном растворе гидролизуется:

Образующаяся щелочь NaОН переводит кислый дигидрофосфат натрия NaH₂PO₄ в моногидрофосфат натрия Na₂HPO₄, а в избытке соды – в средний фосфат Na₃PO₄. Таким образом, одна формульная единица Na₂СO₃ осаждает ион бария Ba²⁺ в виде BaCO₃ и еще четыре Na₂СO₃ требуются для связывания четырех протонов от Ba(H₂PO₄)₂.
Коэффициент в уравнении перед Na₂СO₃ – 5. В результате конечное уравнение имеет вид:

7. Предложенная окислительно-восстановительная реакция протекает между твердыми веществами NH₄Cl и Сu₂O при нагревании. Задача состоит в том, чтобы определить, какие элементы изменяют степень окисления. Для меди степень окисления +1 в Сu₂O относительно неустойчива. В зависимости от партнера в реакции будет происходить окисление или восстановление иона одновалентной меди. Аммиак NН₃ и соли аммония NН⁴⁺ в окислительно-восстановительных реакциях выступают только восстановителями. Под действием слабого окислителя Cu₂O азот в степени окисления –3 превращается в электронейтральный азот, точнее, в молекулы N₂. Таким образом получается, что продуктами реакции будут металлическая медь, азот N₂, вода и хлороводород:

Заключительное уравнение имеет вид:

8. Предположим, что хлорид железа(III) вступает в реакцию ионного обмена с сульфидом аммония. Образующийся при этом сульфид железа(III) тут же разлагается водой с осаждением гидроксида железа(III) и выделением газообразного сероводорода. Уравняем прежде всего число атомов хлора и ионов аммония, затем определим остальные коэффициенты:

Однако такое течение процесса маловероятно, поскольку хлорид железа(III) – окислитель, а сульфид аммония – восстановитель. Реакция этих веществ в водном растворе сопровождается восстановлением железа до и окислением до . Образующийся хлорид железа(II) вступает в реакцию ионного обмена с сульфидом аммония. Суммарное уравнение реакции:

9. Кислотный оксид NO₂ с водой образует азотную кислоту и в качестве побочного продукта – оксид азота(II) NO:

Это окислительно-восстановительная реакция диспропорционирования. Одни атомы азота в диоксиде NO₂ отдают электроны (окисляются), другие – принимают эти электроны (восстанавливаются).

Электронный баланс:

Расставим коэффициенты в промежуточном уравнении (1):

Оксид азота NO улетучивается, а азотная кислота взаимодействует с питьевой содой NaНСО₃. Сильная кислота НNO₃ вытесняет слабую кислоту Н₂СО₃ из ее соли NaHСО₃. Образующаяся угольная кислота Н₂СО₃ неустойчива и разлагается на углекислый газ и воду:

Все сказанное, просуммировав, можно записать одним уравнением:

Здесь, как и в задании 3, вода фигурирует в левой и правой частях уравнения. На первой стадии процесса (1) вода расходуется, а на второй стадии (2) вода выделяется.
В мягких условиях возможно образование солей двух кислот азота – азотной и азотистой:

10. В результате реакции обмена, протекающей в твердой фазе, образуются нитрат аммония и дигидрофосфат калия:

Вариант 1. При нагревании твердый нитрат аммония NH₄NO₃ разлагается:

Термическое разложение КН₂РО₄ приводит к метафосфату калия:

Суммарное уравнение процесса:

Вариант 2. Можно предположить, что при нагревании исходной смеси сначала разложится нитрат калия с выделением кислорода и образованием нитрита калия:

Дальнейшая реакция обмена:

NН₄H₂PO₄ + KNО₂ = NН₄NО₂ + KН₂PО₄.

Термолиз нитрита аммония происходит с образованием азота N₂ и воды:

Из KН₂PO₄, как и в варианте 1, при нагревании получается метафосфат калия и вода.

Итоговое уравнение этого варианта реакции:

11. Нитрат алюминия при нагревании разлагается на оксид алюминия, диоксид азота и кислород. Выделяющийся кислород окисляет трехвалентный фосфор в соединении P₂O₃ до пятивалентного (Р₂О₅). Как и в заданиях 1 и 2, надо определиться с диоксидом азота NO₂: будет ли он участвовать в окислении , превращаясь в NО, или удалится из сферы реакции в атмосферу неизмененным.
Рассмотрим оба варианта, учитывая, что кислотный (Р₂О₅) и основный (Al₂O₃) оксиды взаимодействуют между собой с образованием фосфата алюминия АlРО₄.

Вариант 1.

Пояснение. Два атома фосфора в P₂O₃ отдают четыре электрона четырем атомам азота в ионах . Отсюда коэффициенты и .
Поскольку в химической формуле Al(NO₃)₃ cодержится три атома азота, то они принимают только три электрона. Наименьшее общее кратное перемещенных электронов (4e от P₂O₃ и 3e к Al(NO₃)₃) равно 12. Поэтому первоначальные коэффициенты и умножаем на три, получаем и .

В реакции мольное соотношение реагентов:

Здесь наряду с ожидаемыми AlPO₄ и NО₂ получается оксид Р₂О₅.
Если отношение количеств вещества

то кроме AlРО₄ и NO₂ в реакции образуется кислород:

Вариант 2. Предполагая, что нитратный азот восстанавливается до степени окисления +2 (оксид NО), имеем:

Электронный баланс:

В этом случае, как и в реакции из варианта 1, фосфорная компонента оказывается в избытке по отношению к мольному количеству ионов алюминия, с которым она образует соль AlPO₄.

12. Сначала более активный неметалл углерод (ЭО(С) = 2,5, ЭО(Si) = 1,8) восстанавливает кремний из его оксида:

Затем углерод соединяется с кремнием, образуя карбид углерода – карборунд:

Одним уравнением это записывается так:

Материал подготовил
А.Д.ВЯЗЕМСКИЙ