Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №10/2003

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

5-1.gif (15330 bytes)

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 5-6.gif (295 bytes) 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.

Рис. 4.9. Схема образования химической связи между атомами водорода

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:

)

(1)

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

(2)

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:

(1)

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:

 

(2)

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:

4H2PO4 + KNО2 = NН42 + KН24.

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