Условие
Расставь коэффициенты методом электронного баланса в реакции цинка с очень разбавленной азотной кислотой. Продукты реакции: нитрат цинка, нитрат аммония и вода. Укажи окислитель и восстановитель и проверь результат по балансу атомов.
Что известно и что ищем
- Известны реагенты (цинк и азотная кислота) и продукты; коэффициенты нужно подобрать.
- Ищем: полуреакции окисления и восстановления, коэффициенты и проверку.
- Отдельно отмечаем необычный продукт: азот восстанавливается не до оксида, а сразу до иона аммония, где его степень окисления минус три.
Ход решения
- Шаг 1. Расставляем степени окисления элементов. Цинк в простом веществе имеет ноль, в нитрате цинка — плюс два. Азот в азотной кислоте — плюс пять, в нитрате цинка он остаётся плюс пять, а в нитрате аммония опускается до минус три. Водород и кислород степеней окисления не меняют.
- Шаг 2. Составляем полуреакцию окисления. Цинк отдаёт два электрона и превращается в ион цинка: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺. Цинк — восстановитель, потому что отдаёт электроны.
- Шаг 3. Составляем полуреакцию восстановления. Азот принимает восемь электронов, переходя из плюс пяти в минус три: N⁺⁵ + 8e⁻ → N⁻³. Азотная кислота (точнее, нитрат-ион) — окислитель.
- Шаг 4. Находим наименьшее общее кратное числа отданных и принятых электронов. Два и восемь дают восемь, значит первую полуреакцию нужно умножить на четыре, а вторую — на один. Коэффициенты: четыре атома цинка на одну частицу, где азот восстанавливается до аммония.
- Шаг 5. Подставляем коэффициенты и подбираем остальные. Цинка нужно четыре атома, значит нитрата цинка четыре молекулы: в них уйдёт восемь нитрат-ионов. Ещё два нитрат-иона нужны для нитрата аммония. Итого кислоты десять молекул. Водород считаем последним: десять атомов водорода в кислоте дают четыре в составе иона аммония и шесть в трёх молекулах воды — тройка перед водой как раз уравновешивает водород.
- Шаг 6. Проверяем результат по атомам. Цинк: четыре слева и четыре справа. Азот: десять слева, восемь в нитрате цинка и два в нитрате аммония — всего десять справа. Водород: десять слева, четыре в ионе аммония и шесть в воде — десять справа. Кислород: тридцать слева, двадцать четыре в нитрате цинка плюс три в нитрате аммония плюс три в воде — тридцать справа. Всё сходится.
- Шаг 7. Отмечаем смысл проверки. Электронный баланс даёт только соотношение окислителя и восстановителя, остальные коэффициенты подбираются пересчётом атомов. Поэтому проверка по атомам не формальность, а обязательная часть решения: без неё коэффициенты могут быть «примерно верными».
Проверь себя
- Ответ: 4Zn + 10HNO₃ → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O; восстановитель — цинк, окислитель — азотная кислота.
- Проверка вывода: число отданных электронов равно числу принятых: четыре атома цинка отдают по два электрона, итого восемь, и ровно восемь принимает азот. Плюс сходится баланс по каждому элементу.
- Ловушка: считать, что вся азотная кислота работает окислителем. Окислителем является только одна её молекула из десяти, остальные девять идут на образование солей. Это видно прямо из коэффициентов.
Как объяснить ребёнку
«Электронный баланс — это бухгалтерия: сколько электронов ушло, столько должно прийти. Цинк отдаёт по два, азот забирает восемь — значит цинков нужно четыре, чтобы «оплатить» один азот. Дальше задача превращается в подсчёт атомов, как в примере с покупками: сколько чего слева, столько должно быть и справа».
Тема для отчёта родителю
«Метод электронного баланса: от полуреакций к коэффициентам».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.