11. Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции: Cu + HNO₃(разб.) = Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O Определите окислитель и восстановитель.

Задание 11. Электронный баланс и окислительно-восстановительная реакция

Дано уравнение реакции:

\( \text{Cu} + \text{HNO}_3(\text{разб.}) \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + \text{NO} + \text{H}_2\text{O} \)

Для начала определим степени окисления элементов в реагентах и продуктах:

• В реагентах:
• Cu: 0
• H: +1, N: +5, O: -2 (в HNO₃)
• В продуктах:
• Cu: +2 (в Cu(NO₃)₂)
• N: +2 (в NO)
• H: +1, O: -2 (в H₂O)
• N: +5, O: -2 (в NO₃⁻)

Теперь выделим элементы, меняющие степень окисления:

• Cu⁰ → Cu⁺² (степень окисления повысилась, значит, медь — восстановитель, отдаёт электроны).
• N⁺⁵ → N⁺² (степень окисления понизилась, значит, азот — окислитель, принимает электроны).

Составим электронный баланс:

• Окисление: \( \text{Cu}^0 - 2e^- \rightarrow \text{Cu}^{+2} \) (медь отдала 2 электрона)
• Восстановление: \( \text{N}^{+5} + 3e^- \rightarrow \text{N}^{+2} \) (азот принял 3 электрона)

Чтобы уравнять число отданных и принятых электронов, найдем наименьшее общее кратное для 2 и 3, которое равно 6. Умножим полуреакцию окисления на 3, а полуреакцию восстановления на 2:

• \( 3 \times (\text{Cu}^0 - 2e^- \rightarrow \text{Cu}^{+2}) \rightarrow 3\text{Cu}^0 - 6e^- \rightarrow 3\text{Cu}^{+2} \)
• \( 2 \times (\text{N}^{+5} + 3e^- \rightarrow \text{N}^{+2}) \rightarrow 2\text{N}^{+5} + 6e^- \rightarrow 2\text{N}^{+2} \)

Полученные коэффициенты (3 для меди и 2 для азота в NO) переносим в уравнение реакции:

\( f{3}\text{Cu} + f{?} \text{HNO}_3 \rightarrow f{3}\text{Cu(NO}_3)_2 + f{2}\text{NO} + f{?} \text{H}_2\text{O} \)

Теперь уравняем азот (N) и водород (H).

Азот:

• В продуктах: \( 3 \times 2 \) атома N в \( \text{Cu(NO}_3)_2 \) + \( 2 \) атома N в \( \text{NO} \) = \( 6 + 2 = 8 \) атомов N.
• Значит, перед \( \text{HNO}_3 \) в реагентах ставим коэффициент 8.

\( 3\text{Cu} + f{8} \text{HNO}_3 \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO} + ? \text{H}_2\text{O} \)

Водород:

• В реагентах: 8 атомов H (в \( 8\text{HNO}_3 \)).
• В продуктах: Водород есть только в воде. Чтобы было 8 атомов H, перед \( \text{H}_2\text{O} \) ставим коэффициент 4.

\( 3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3 \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO} + f{4}\text{H}_2\text{O} \)

Кислород:

• В реагентах: \( 8 \times 3 = 24 \) атома O.
• В продуктах: \( 3 \times (3 \times 2) \) (в \( \text{Cu(NO}_3)_2 \)) + \( 2 \times 1 \) (в \( \text{NO} \)) + \( 4 \times 1 \) (в \( \text{H}_2\text{O} \)) = \( 18 + 2 + 4 = 24 \) атома O.

Коэффициенты расставлены верно.

Итоговое уравнение:

\( 3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3 (\text{разб.}) \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO} \text{↑} + 4\text{H}_2\text{O} \)

Вывод:

• Восстановитель: медь (Cu), так как она отдаёт электроны и её степень окисления повышается с 0 до +2.
• Окислитель: азот в азотной кислоте (N в HNO₃), так как он принимает электроны и его степень окисления понижается с +5 до +2.

Ответ: Коэффициенты: 3; 8; 3; 2; 4. Окислитель: N⁺⁵ (в HNO₃). Восстановитель: Cu⁰.