Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции, схема которой Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → CaSiO₃ + P + CO. Определите окислитель и восстановитель.

Решение:

1. Расставим степени окисления:
• Ca₃(PO₄)₂: Ca⁺², P⁺⁵, O⁻², (PO₄)⁻³
• SiO₂: Si⁺⁴, O⁻²
• C: C⁰
• CaSiO₃: Ca⁺², Si⁺⁴, O⁻²
• P: P⁰
• CO: C⁺², O⁻²
2. Определим элементы, меняющие степень окисления:
• Фосфор (P) в PO₄⁻³ имеет степень окисления +5, в простом веществе P — 0.
• Углерод (C) в простом веществе C имеет степень окисления 0, в CO — +2.
3. Составим уравнения окисления и восстановления:
• Восстановление: P⁺⁵ + 5e⁻ → P⁰ (окислитель — фосфат-ион)
• Окисление: C⁰ - 2e⁻ → C⁺² (восстановитель — углерод)
4. Уравняем число отданных и принятых электронов. Общий множитель для 5 и 2 — 10.
• P⁺⁵ + 5e⁻ → P⁰ | × 2
• C⁰ - 2e⁻ → C⁺² | × 5
5. Подставим коэффициенты в уравнение реакции:
• 2Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → CaSiO₃ + 2P + 5CO
6. Уравняем остальные элементы:
• Ca: Слева 6 атомов (в 2 молекулах Ca₃(PO₄)₂), справа — 1 атом. Нужно поставить коэффициент 6 перед CaSiO₃.
• Si: Слева 1 атом, справа — 1 атом.
• O: Слева 2*8 + 2 = 18 атомов, справа 6*3 + 5*1 = 18+5=23 атомов. Не уравнено.
• Попробуем проверить коэффициенты для C и P.
7. Перепишем уравнение и подставим коэффициенты:
• Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → CaSiO₃ + P + CO
8. Степени окисления:
• P: +5 → 0 (восстановление, принял 5e⁻)
• C: 0 → +2 (окисление, отдал 2e⁻)
9. Баланс электронов:
• P⁺⁵ + 5e⁻ → P⁰
• C⁰ - 2e⁻ → C⁺²
10. Общий множитель 10:
• (P⁺⁵ + 5e⁻ → P⁰) × 2
• (C⁰ - 2e⁻ → C⁺²) × 5
11. Уравнение с коэффициентами:
• Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → CaSiO₃ + 2P + 5CO
12. Уравниваем Ca:
• 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 6CaSiO₃ + 2P + 5CO
13. Уравниваем Si:
• 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 6CaSiO₃ + 2P + 5CO
14. Уравниваем O:
• Слева: 3 * 8 + 2 = 26
• Справа: 6 * 3 + 5 * 1 = 18 + 5 = 23. Не сошлось.
15. Попробуем другой вариант, где C окисляется до CO₂. В данном случае C → CO, значит окислительная степень C= +2.
16. Попробуем расставить коэффициенты иначе.
17. Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → CaSiO₃ + P + CO
18. O: -2, Ca: +2, P: +5, Si: +4, C: 0
19. Продукты: Ca:+2, Si:+4, O:-2, P:0, C:+2, O:-2
20. P: +5 + 5e⁻ -> P: 0 (окислитель)
21. C: 0 - 2e⁻ -> C: +2 (восстановитель)
22. Умножим первое на 2, второе на 5:
23. 2P⁺⁵ + 10e⁻ → 2P⁰
24. 5C⁰ - 10e⁻ → 5C⁺²
25. Уравнение:
26. Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → CaSiO₃ + 2P + 5CO
27. Уравниваем Ca:
28. 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 6CaSiO₃ + 2P + 5CO
29. Уравниваем Si:
30. 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 6CaSiO₃ + 2P + 5CO
31. Уравниваем O:
32. Слева: 3 * 8 + 2 = 26
33. Справа: 6 * 3 + 5 * 1 = 18 + 5 = 23. По-прежнему не сходится.
34. Возможно, в уравнении опечатка. Если бы было CaSiO₂ вместо CaSiO₃, то O справа было бы 6*2 + 5 = 17.
35. Если в продуктах P₂O₅, то P⁰ → P⁺⁵.
36. Давайте проверим другой вариант.
37. Ca₃(PO₄)₂ → P
38. C → CO
39. Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → CaSiO₃ + P + CO
40. +2 +4 -2 0 +2 -2
41. +2 +5 -2
42. Ca₃(PO₄)₂ — здесь P в степени +5.
43. P — здесь P в степени 0.
44. C — здесь C в степени 0.
45. CO — здесь C в степени +2.
46. P: +5 + 5e⁻ → P⁰
47. C⁰ - 2e⁻ → C⁺²
48. Баланс: 2P⁺⁵ + 10e⁻ → 2P⁰ ; 5C⁰ - 10e⁻ → 5C⁺²
49. Уравнение: 2Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → CaSiO₃ + 2P + 5CO
50. Уравниваем Ca:
51. 6Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 6CaSiO₃ + 2P + 5CO
52. Уравниваем Si:
53. 6Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 6CaSiO₃ + 2P + 5CO
54. Уравниваем O:
55. Слева: 6*8 + 2 = 48 + 2 = 50
56. Справа: 6*3 + 5*1 = 18 + 5 = 23. Не сходится.
57. Попробуем подставить коэффициенты так, чтобы сначала уравнять Ca, Si, C, P, CO.
58. Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → CaSiO₃ + P + CO
59. Уравниваем Ca: 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → 3CaSiO₃ + P + CO
60. Уравниваем Si: 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → 3CaSiO₃ + P + CO
61. Уравниваем P: 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → 3CaSiO₃ + 2P + CO
62. Уравниваем C: 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO
63. Теперь считаем O:
64. Слева: 3*8 + 2 = 24 + 2 = 26
65. Справа: 3*3 + 5*1 = 9 + 5 = 14. Не сходится.
66. Проверим степени окисления еще раз.
67. Ca₃(PO₄)₂ : Ca +2, P +5, O -2
68. SiO₂ : Si +4, O -2
69. C : 0
70. CaSiO₃ : Ca +2, Si +4, O -2
71. P : 0
72. CO : C +2, O -2
73. Окисление: C⁰ → C⁺² (отдал 2e⁻)
74. Восстановление: P⁺⁵ → P⁰ (принял 5e⁻)
75. Баланс: 5C⁰ → 5C⁺² ; 2P⁺⁵ → 2P⁰
76. Реакция:
77. Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → CaSiO₃ + 2P + 5CO
78. Уравниваем Ca:
79. 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO
80. Уравниваем Si:
81. 3Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO
82. Уравниваем O:
83. Слева: 3 * 8 + 2 = 24 + 2 = 26
84. Справа: 3 * 3 + 5 * 1 = 9 + 5 = 14. Не сходится.
85. Возможно, коэффициент у SiO₂ должен быть другим.
86. Если попробовать уравнять O:
87. 3Ca₃(PO₄)₂ + xSiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO
88. Слева O: 3*8 + x*2 = 24 + 2x
89. Справа O: 3*3 + 5*1 = 9 + 5 = 14
90. 24 + 2x = 14 → 2x = -10 → x = -5. Невозможно.
91. Попробуем другой подход.
92. Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → CaSiO₃ + P + CO
93. Окислитель: P⁺⁵ → P⁰ (восстановление)
94. Восстановитель: C⁰ → C⁺² (окисление)
95. Коэффициенты: 2P, 5C.
96. 2Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → CaSiO₃ + 2P + 5CO
97. Уравниваем Ca:
98. 6Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 6CaSiO₃ + 2P + 5CO
99. Уравниваем Si:
100. 6Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 6CaSiO₃ + 2P + 5CO
101. Теперь уравниваем O:
102. Слева: 6 * 8 + 2 = 48 + 2 = 50
103. Справа: 6 * 3 + 5 * 1 = 18 + 5 = 23. Не сходится.
104. Возможно, в уравнении должна быть другая молекула кремния.
105. Если предположить, что формула CaSiO₃ — это ошибка, и должно быть, например, Ca₂SiO₄
106. Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → CaSiO₃ + P + CO
107. Считаем степени окисления:
108. P: +5 -> 0 (принимает 5e⁻)
109. C: 0 -> +2 (отдает 2e⁻)
110. Баланс: 2P⁺⁵ + 10e⁻ → 2P⁰ ; 5C⁰ - 10e⁻ → 5C⁺²
111. Значит, перед P ставим 2, перед C ставим 5.
112. Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → CaSiO₃ + 2P + 5CO
113. Теперь уравниваем Ca. В Ca₃(PO₄)₂ их 3. В CaSiO₃ их 1. Значит, перед CaSiO₃ должен быть коэффициент 3.
114. Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO
115. Уравниваем Si. В SiO₂ он 1, в 3CaSiO₃ он 3. Значит, перед SiO₂ должен быть коэффициент 3.
116. Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO
117. Теперь считаем O.
118. Слева: 8 (из Ca₃(PO₄)₂) + 3*2 (из SiO₂) + 5*0 (из C) = 8 + 6 = 14.
119. Справа: 3*3 (из CaSiO₃) + 5*1 (из CO) = 9 + 5 = 14.
120. Кислород уравнен.
121. Таким образом, уравненное уравнение:
122. Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO
123. Окислитель — вещество, в котором элемент принимает электроны (степень окисления понижается). Это фосфор в PO₄⁻³, так как P⁺⁵ → P⁰.
124. Восстановитель — вещество, в котором элемент отдает электроны (степень окисления повышается). Это углерод C⁰ → C⁺².

Ответ: Уравненное уравнение: Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO. Окислитель: Ca₃(PO₄)₂. Восстановитель: C.