Задание №20 — Химические реакции

Решение.

Для того чтобы расставить коэффициенты в данной окислительно-восстановительной реакции, выполним следующие шаги:

1. Определим степени окисления элементов, которые их меняют в ходе реакции:
В азотной кислоте $\text{H}\text{N}^{+5}\text{O}_3$ азот имеет степень окисления $+5$.
Простое вещество цинк $\text{Zn}^0$ имеет степень окисления $0$.
В нитрате цинка $\text{Zn}^{+2}(\text{NO}_3)_2$ цинк имеет степень окисления $+2$.
В молекулярном азоте $\text{N}_2^0$ степень окисления азота равна $0$.

2. Составим электронный баланс:
Цинк отдаёт электроны (окисляется):
$\text{Zn}^0 - 2\bar{e} \rightarrow \text{Zn}^{+2}$ (процесс окисления)
Азот принимает электроны (восстанавливается). Учитываем, что в правой части образуется двухатомная молекула азота $\text{N}_2$:
$2\text{N}^{+5} + 10\bar{e} \rightarrow \text{N}_2^0$ (процесс восстановления)

3. Найдём наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов. Это число $10$.
Для цинка множитель: $10 : 2 = 5$.
Для азота множитель: $10 : 10 = 1$.
Запишем это в виде схемы:
$\begin{array}{l|c|r} \text{Zn}^0 - 2\bar{e} \rightarrow \text{Zn}^{+2} & 5 & \text{восстановитель} \\ 2\text{N}^{+5} + 10\bar{e} \rightarrow \text{N}_2^0 & 1 & \text{окислитель} \end{array}$

4. Перенесём коэффициенты в уравнение реакции:
Ставим $5$ перед цинком и солью цинка:
$5\text{Zn} + \dots \rightarrow 5\text{Zn}(\text{NO}_3)_2 + \text{N}_2 + \dots$
Теперь посчитаем общее количество атомов азота в правой части: в $5\text{Zn}(\text{NO}_3)_2$ содержится $5 \times 2 = 10$ атомов азота, плюс $2$ атома в молекуле $\text{N}_2$. Итого $12$ атомов азота. Значит, перед $\text{HNO}_3$ ставим коэффициент $12$.
Уравняем водород: слева $12$ атомов водорода, значит, перед $\text{H}_2\text{O}$ ставим коэффициент $6$ ($12 : 2 = 6$).

Итоговое уравнение:
$12\text{HNO}_3 + 5\text{Zn} = 5\text{Zn}(\text{NO}_3)_2 + \text{N}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$

5. Укажем окислитель и восстановитель:
Цинк в степени окисления $0$ ($\text{Zn}^0$) является восстановителем.
Азот в степени окисления $+5$ ($\text{N}^{+5}$) в составе азотной кислоты ($\text{HNO}_3$) является окислителем.

Ответ:
$12\text{HNO}_3 + 5\text{Zn} = 5\text{Zn}(\text{NO}_3)_2 + \text{N}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$
Восстановитель: $\text{Zn}$ (или $\text{Zn}^0$)
Окислитель: $\text{HNO}_3$ (или $\text{N}^{+5}$)

Источник: ФИПИ