11. Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции: P + HNO3 + H2O = H3PO4 + NO Определите окислитель и восстановитель

Question

Вопрос:

Фото задания

11. Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции: P + HNO3 + H2O = H3PO4 + NO Определите окислитель и восстановитель

Accepted Answer

Решение:

Запишем уравнение реакции: \( P + HNO_3 + H_2O = H_3PO_4 + NO \)

Определим степени окисления элементов:

P: 0
N в HNO₃: +5
O в HNO₃: -2
H в HNO₃: +1
H в H₂O: +1
O в H₂O: -2
P в H₃PO₄: +5
O в H₃PO₄: -2
N в NO: +2

Составим электронный баланс:

Восстановитель: Фосфор (P) отдает электроны, его степень окисления повышается с 0 до +5.
Окислитель: Азот (N) принимает электроны, его степень окисления понижается с +5 до +2.

Баланс:

P⁰ → P⁺⁵ + 5e^- | × 2 (восстановитель)

N⁺⁵ + 3e^- → N⁺² | × 5 (окислитель)

Суммируем электроны: 10e^-

Расставляем коэффициенты в уравнении:

Перед P: 2
Перед NO: 5

\( 2P + HNO_3 + H_2O = H_3PO_4 + 5NO \)

Теперь уравняем кислород и водород:

В правой части: H — 3+2 = 5; O — 4 + 5×1 = 9.

В левой части: H — 2 (в H₂O); O — 3 (в HNO₃) + 1 (в H₂O).

Чтобы получить 5 атомов H в правой части, нужно 5 атомов H. У нас есть 3 в H₃PO₄, значит, нужно еще 2 атома H. Они должны быть в H₂O. Это означает, что перед H₂O нужен коэффициент 1, если бы мы считали только водород. Но нужно учесть и кислород.

Попробуем уравнять кислород:

В правой части: 4 (в H₃PO₄) + 5 (в NO) = 9 атомов O.

В левой части: 3 (в HNO₃) + x (в H₂O). Значит, \( 3 + x = 9 \), откуда \( x = 6 \).

Подставим коэффициент 6 перед H₂O:

\( 2P + HNO_3 + 6H_2O = H_3PO_4 + 5NO \)

Теперь проверим водород:

В левой части: 6 × 2 = 12 атомов H.

В правой части: 3 (в H₃PO₄) + 5 × 1 (в NO) = 8 атомов H. Не сходится.

Нужно скорректировать коэффициент перед HNO₃, чтобы учесть +5 для азота, который идет в NO.

Вернемся к электронному балансу. Коэффициенты 2 и 5 уже стоят.

\( 2P + ?HNO_3 + ?H_2O = 2H_3PO_4 + 5NO \)

Справа: P=2, N=5, H=6, O=8+5=13.

Слева: P=2. Значит, перед H₃PO₄ коэффициент 2.

\( 2P + HNO_3 + H_2O = 2H_3PO_4 + 5NO \)

Теперь учтем азот. В NO — 5 атомов, значит, в HNO₃ должно быть как минимум 5 атомов N. Но азот из HNO₃ идет и в H₃PO₄, если там есть азот, но здесь P. Значит, весь азот из HNO₃ идет либо в NO, либо в H₃PO₄. В H₃PO₄ азота нет. Значит, вся азотная кислота идет на образование NO. Коэффициент перед HNO₃ должен быть 5.

\( 2P + 5HNO_3 + H_2O = 2H_3PO_4 + 5NO \)

Проверим водород:

Слева: 5 (в HNO₃) + 2 (в H₂O) = 7 атомов H.

Справа: 2 × 3 = 6 атомов H. Не сходится.

Уравняем водород и кислород:

Справа: H = 6 (в 2H₃PO₄) + 5 (в 5NO) = 11 атомов H.

Слева: 1 (в HNO₃) + 2 (в H₂O).

Справа: O = 2 × 4 (в 2H₃PO₄) + 5 (в 5NO) = 8 + 5 = 13 атомов O.

Слева: 3 (в HNO₃) + 1 (в H₂O).

Нам нужно, чтобы водород был уравнен. Если перед H₂O поставить коэффициент 4, то H=5+8=13, O=3+4=7 (не сходится). Если перед H₂O поставить коэффициент 5, то H=5+10=15, O=3+5=8 (не сходится).

Давайте вернемся к электронному балансу и коэффициентам 2 и 5.

\( 2P + HNO_3 + H_2O \rightarrow 2H_3PO_4 + 5NO \)

Справа: 2P, 2*3=6H, 2*4=8O (в H3PO4) + 5*1=5O (в NO) = 13O. Азот - 5.

Слева: 2P. Значит, перед HNO₃ ставим 5.

\( 2P + 5HNO_3 + H_2O \rightarrow 2H_3PO_4 + 5NO \)

Теперь считаем водород слева: 5 (из HNO₃) + 2 (из H₂O). Нужно получить 6 атомов H. Поэтому перед H₂O должен быть коэффициент 3. Тогда H = 5 + 6 = 11. И O = 3 + 3 = 6. Не сходится.

Если перед H₂O поставить 4:

\( 2P + 5HNO_3 + 4H_2O \rightarrow 2H_3PO_4 + 5NO \)

Проверим:

Слева: P=2, H=5+8=13, N=5, O=3+4=7.

Справа: P=2, H=2*3=6, N=5, O=2*4+5*1=8+5=13.

Водород и кислород не сошлись.

Попробуем коэффициент 5 перед HNO₃ и 3 перед H₂O:

\( 2P + 5HNO_3 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4 + 5NO \)

Слева: P=2, H=5+6=11, N=5, O=3+3=6.

Справа: P=2, H=6, N=5, O=8+5=13.

Вернемся к электронному балансу. Мы взяли коэффициенты 2 и 5.

\( 2P + \underline{?}HNO_3 + \underline{?}H_2O = 2H_3PO_4 + 5NO \)

Справа: 2P, 6H, 13O, 5N.

Слева: 2P.

Для того чтобы получить 5 атомов N, нужно 5HNO₃.

\( 2P + 5HNO_3 + \underline{?}H_2O = 2H_3PO_4 + 5NO \)

Теперь уравняем водород. Справа 6 атомов H (из 2H₃PO₄) + 5 атомов H (из 5NO) = 11 атомов H.

Слева есть 5 атомов H в HNO₃. Значит, нам нужно еще 6 атомов H. Они должны быть в H₂O. Поэтому перед H₂O ставим коэффициент 3.

\( 2P + 5HNO_3 + 3H_2O = 2H_3PO_4 + 5NO \)

Проверим кислород:

Слева: 5 × 3 (в HNO₃) + 3 × 1 (в H₂O) = 15 + 3 = 18 атомов O.

Справа: 2 × 4 (в H₃PO₄) + 5 × 1 (в NO) = 8 + 5 = 13 атомов O. Не сходится.

Попробуем другой коэффициент для HNO₃. Если мы умножим баланс на 10 (для P) и 6 (для N):

P⁰ → P⁺⁵ + 5e^- | × 6

N⁺⁵ + 3e^- → N⁺² | × 10

\( 6P + 10HNO_3 + ?H_2O = 6H_3PO_4 + 10NO \)

Справа: P=6, N=10, H=12, O=24+10=34.

Слева: P=6. Перед HNO₃ ставим 10.

\( 6P + 10HNO_3 + ?H_2O = 6H_3PO_4 + 10NO \)

H слева: 10 (из HNO₃) + 2*? (из H₂O).

H справа: 6*3=18.

10 + 2*? = 18 => 2*? = 8 => ?=4. Ставим 4 перед H₂O.

\( 6P + 10HNO_3 + 4H_2O = 6H_3PO_4 + 10NO \)

Проверим кислород:

Слева: 10*3 + 4*1 = 30 + 4 = 34.

Справа: 6*4 + 10*1 = 24 + 10 = 34.

Кислород сошелся.

Окислитель: HNO₃ (азот в степени окисления +5)

Восстановитель: P (фосфор в степени окисления 0)

Ответ: 6P + 10HNO₃ + 4H₂O = 6H₃PO₄ + 10NO. Окислитель — HNO₃, восстановитель — P.