Условие
Хлор пропустили через холодный раствор гидроксида натрия, а затем — через горячий концентрированный раствор гидроксида калия. Запишите оба уравнения, расставьте коэффициенты и объясните, почему в этих реакциях хлор выступает одновременно и окислителем, и восстановителем. Укажите степени окисления хлора во всех продуктах.
Что известно и что ищем
- Известны реагенты и условия (холодная и горячая щёлочь).
- Ищем уравнения, объяснение двойственной роли хлора и степени окисления в продуктах.
- Ключ: в молекуле хлора степень окисления ноль — средняя между возможными, поэтому он может и повышать, и понижать её одновременно.
Ход решения
- Шаг 1. Фиксируем исходную степень окисления. В простом веществе хлор имеет ноль, а его типичные степени — минус один и положительные (плюс один, плюс пять и выше). Ноль находится между ними, значит хлор может и принимать, и отдавать электроны в одной и той же реакции.
- Шаг 2. Разбираем случай с холодной щёлочью. Одна часть атомов хлора принимает электроны и уходит в хлорид (степень минус один), другая часть отдаёт электроны и переходит в гипохлорит (степень плюс один). Уравнение: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O.
- Шаг 3. Проверяем баланс первого уравнения. Хлора два атома слева и два справа (один в хлориде, один в гипохлорите); натрия два; кислорода два; водорода два. Уравнение сходится без дополнительных коэффициентов.
- Шаг 4. Разбираем случай с горячей щёлочью. В этих условиях окисление идёт глубже, до степени плюс пять, и продукт — хлорат. Уравнение: 3Cl₂ + 6KOH → 5KCl + KClO₃ + 3H₂O.
- Шаг 5. Проверяем баланс второго уравнения. Слева шесть атомов хлора, справа пять в хлориде и один в хлорате — шесть; калия шесть; кислорода шесть (три в хлорате и три в воде); водорода шесть. Всё сходится.
- Шаг 6. Объясняем, почему так. При нагревании окисление выгоднее идёт до более высокой степени окисления, поэтому продукт меняется. Такие реакции называют реакциями диспропорционирования: один и тот же элемент в одном и том же веществе и окисляется, и восстанавливается.
- Шаг 7. Делаем практический вывод: именно на этой реакции основано получение хлорной извести и отбеливающих средств, где хлор «тратится» на два продукта сразу.
Проверь себя
- Ответ: на холоде Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O; при нагревании 3Cl₂ + 6KOH → 5KCl + KClO₃ + 3H₂O; степени окисления хлора в продуктах минус один и плюс один (на холоде), минус один и плюс пять (при нагревании).
- Проверка вывода: оба уравнения проверены по атомам; число отданных и принятых электронов сходится.
- Ловушка: писать в продуктах только хлорид. Тогда «лишний» хлор некуда девать и баланс не сходится — это первый признак ошибки.
Как объяснить ребёнку
«Хлор в молекуле — как человек на середине лестницы: он может шагнуть и вниз, и вверх. Поэтому часть атомов съезжает вниз, до минус один, а часть поднимается вверх, до плюс один. Когда щёлочь горячая, лестница становится длиннее и хлор поднимается выше — до плюс пяти».
Тема для отчёта родителю
«Диспропорционирование хлора в щёлочи: почему продукт зависит от температуры».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.