Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции, схема которой Cu₂O + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O. Определите окислитель и восстановитель.

Question

Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции, схема которой Cu₂O + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O. Определите окислитель и восстановитель.

Фото задания

Accepted Answer

Решение:

Для решения задачи методом электронного баланса, определим степени окисления всех элементов в реакции:

В Cu₂O: Кислород имеет степень окисления -2. Так как молекула нейтральна, степень окисления меди равна +1 (2 * x + (-2) = 0 => x = +1).
В H₂SO₄: Водород имеет степень окисления +1, кислород -2. Сера имеет степень окисления +6 (2 * (+1) + x + 4 * (-2) = 0 => 2 + x - 8 = 0 => x = +6).
В CuSO₄: Кислород имеет степень окисления -2, сера +6. Медь имеет степень окисления +2.
В SO₂: Кислород имеет степень окисления -2. Сера имеет степень окисления +4 (x + 2 * (-2) = 0 => x = +4).
В H₂O: Водород имеет степень окисления +1, кислород -2.

Теперь запишем полуреакции окисления и восстановления:

Медь изменяет степень окисления с +1 до +2 (окисление): Cu⁺¹ → Cu⁺² + 1e⁻
Сера изменяет степень окисления с +6 до +4 (восстановление): S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴

Для уравнивания числа отданных и принятых электронов, умножим первую полуреакцию на 2:

2 * (Cu⁺¹ → Cu⁺² + 1e⁻) = 2Cu⁺¹ → 2Cu⁺² + 2e⁻

Теперь сложим полуреакции:

2Cu⁺¹ + S⁺⁶ → 2Cu⁺² + S⁺⁴

Расставим коэффициенты в исходном уравнении реакции, используя данные электронного баланса:

Cu₂O: перед ним ставим коэффициент 2.
SO₂: перед ним ставим коэффициент 1.
CuSO₄: перед ним ставим коэффициент 2.
H₂SO₄: 2 атома меди в Cu₂O, но есть еще 1 атом серы, который восстанавливается. Общее количество серы = 1 (в SO₂) + 1 (в H₂SO₄, который не реагирует). Значит, перед H₂SO₄ ставим коэффициент 3.
H₂O: проверяем водород. В 3H₂SO₄: 3 * 2 = 6 атомов водорода. Значит, перед H₂O ставим коэффициент 3.

Проверим кислород: 2 * 1 (в Cu₂O) + 3 * 4 (в H₂SO₄) = 2 + 12 = 14. В продуктах: 2 * 4 (в CuSO₄) + 1 * 2 (в SO₂) + 3 * 1 (в H₂O) = 8 + 2 + 3 = 13. Расхождение. Пересмотрим коэффициенты.

Вернемся к уравнению: 2Cu⁺¹ → 2Cu⁺² + 2e⁻ (окисление) и S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴ (восстановление).

Из этого следует:

Cu₂O — окисляется, значит, является восстановителем. Его коэффициент 1 (так как 2 атома меди в формуле).
S⁺⁶ (в H₂SO₄) — восстанавливается, значит, является окислителем. Его коэффициент 1.

Теперь уравниваем:

Cu₂O + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O
Cu₂O: степень окисления меди +1 → +2. Отдаёт 2 электрона.
H₂SO₄: степень окисления серы +6 → +4. Принимает 2 электрона.

Уравниваем меди: 1 Cu₂O → 2 CuSO₄. (Отдано 2 * (2-1) = 2 электрона).

Уравниваем серу: 1 H₂SO₄ (восстановитель) → 1 SO₂. (Принято 2 электрона).

Уравнение пока выглядит так: Cu₂O + H₂SO₄ → 2CuSO₄ + SO₂ + H₂O

Теперь уравняем водород и кислород:

H₂SO₄: У нас 2 атома серы (один в SO₂, другой в CuSO₄). Значит, нужно 2 молекулы H₂SO₄.
Cu₂O + 2H₂SO₄ → 2CuSO₄ + SO₂ + H₂O
Проверим водород: 2 * 2 = 4 атома. Значит, перед H₂O ставим коэффициент 2.
Cu₂O + 2H₂SO₄ → 2CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

Проверим кислород:

Слева: 1 (в Cu₂O) + 2 * 4 (в H₂SO₄) = 1 + 8 = 9.
Справа: 2 * 4 (в CuSO₄) + 2 (в SO₂) + 2 * 1 (в H₂O) = 8 + 2 + 2 = 12. Расхождение.

Ошибка в определении окислителя и восстановителя. Окислителем является тот, кто принимает электроны. Восстановителем - тот, кто отдаёт электроны.

В реакции:

Cu⁺¹ → Cu⁺² (отдаёт 1 электрон, степень окисления повышается)
S⁺⁶ → S⁺⁴ (принимает 2 электрона, степень окисления понижается)

Здесь медь (в Cu₂O) является восстановителем, а сера (в H₂SO₄) — окислителем.

Уравнение реакции:

Cu₂O + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O

Степени окисления:

(+1)₂O⁻² + H₂⁺¹S⁺⁶O₄⁻² → Cu⁺²S⁺⁶O₄⁻² + S⁺⁴O₂⁻² + H₂⁺¹O⁻²

Изменения степеней окисления:

2Cu⁺¹ → 2Cu⁺² (отдал 2 электрона)

S⁺⁶ → S⁺⁴ (принял 2 электрона)

Коэффициенты:

Перед Cu₂O ставим 1.
Перед SO₂ ставим 1.
Перед CuSO₄ ставим 2.

Уравнение: 1Cu₂O + H₂SO₄ → 2CuSO₄ + 1SO₂ + H₂O

Теперь уравниваем водород и кислород. Слева 2 атома водорода (в H₂SO₄). Справа 2 атома водорода (в H₂O). Значит, коэффициент перед H₂O = 1.

Cu₂O + H₂SO₄ → 2CuSO₄ + SO₂ + H₂O

Проверяем кислород:

Слева: 1 (в Cu₂O) + 4 (в H₂SO₄) = 5.
Справа: 2*4 (в CuSO₄) + 2 (в SO₂) + 1 (в H₂O) = 8 + 2 + 1 = 11. Опять расхождение.

Ошибка в понимании, что именно окисляется и восстанавливается. В данном случае, если H₂SO₄ является окислителем, то его степень окисления серы должна понизиться. Если Cu₂O - восстановитель, то степень окисления меди должна повыситься.

Рассмотрим еще раз:

Cu₂O: Cu (+1), O (-2). Медь может повысить степень окисления до +2.

H₂SO₄: H (+1), S (+6), O (-2). Сера может понизить степень окисления.

CuSO₄: Cu (+2), S (+6), O (-2).

SO₂: S (+4), O (-2). Сера понизила степень окисления.

H₂O: H (+1), O (-2).

Изменение степеней окисления:

2Cu⁺¹ → 2Cu⁺² + 2e⁻ (окисление, Cu₂O - восстановитель)

S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴ (восстановление, H₂SO₄ - окислитель, конкретно сера в нем)

Итак, уравниваем:

Cu₂O + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O

Коэффициенты из баланса:

2 для меди, которая изменила степень окисления.
1 для серы, которая изменила степень окисления.

1Cu₂O + H₂SO₄ → 2CuSO₄ + 1SO₂ + H₂O

Теперь уравниваем оставшиеся элементы:

Водород: справа 2 атома H, значит, слева нужно 2 атома H. Коэффициент перед H₂SO₄ = 1.
Кислород: справа 2*4 + 2 + 1 = 11. Слева 1 (в Cu₂O) + 4 (в H₂SO₄) = 5. Расхождение.

Давайте попробуем по-другому. Сера в H₂SO₄ может быть как окислителем, так и оставаться в степени окисления +6.

Если S(+6) → S(+4) в SO₂, то H₂SO₄ - окислитель.

Если Cu(+1) → Cu(+2) в CuSO₄, то Cu₂O - восстановитель.

Схема:

Cu₂O + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O

Степени окисления:

Cu⁺¹₂O⁻² + H₂⁺¹S⁺⁶O₄⁻² → Cu⁺²S⁺⁶O₄⁻² + S⁺⁴O₂⁻² + H₂⁺¹O⁻²

Окислительно-восстановительный баланс:

2Cu⁺¹ → 2Cu⁺² + 2e⁻ (x1)

S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴ (x1)

Это означает, что отношение Cu₂O к SO₂ должно быть 1:1.

1Cu₂O + H₂SO₄ → CuSO₄ + 1SO₂ + H₂O

Теперь уравниваем медь. В Cu₂O 2 атома меди, значит, в CuSO₄ должно быть 2 атома меди. Ставим коэффициент 2 перед CuSO₄:

1Cu₂O + H₂SO₄ → 2CuSO₄ + 1SO₂ + H₂O

Теперь уравниваем серу. Слева 1 атом серы в H₂SO₄. Справа 2 атома серы в 2CuSO₄ и 1 атом серы в SO₂. Итого 3 атома серы.

Значит, перед H₂SO₄ ставим коэффициент 3:

Cu₂O + 3H₂SO₄ → 2CuSO₄ + SO₂ + H₂O

Теперь уравниваем водород. Слева 3 * 2 = 6 атомов H. Значит, справа перед H₂O ставим коэффициент 3:

Cu₂O + 3H₂SO₄ → 2CuSO₄ + SO₂ + 3H₂O

Проверяем кислород:

Слева: 1 (в Cu₂O) + 3 * 4 (в H₂SO₄) = 1 + 12 = 13.

Справа: 2 * 4 (в CuSO₄) + 2 (в SO₂) + 3 * 1 (в H₂O) = 8 + 2 + 3 = 13.

Кислород совпал. Уравнение уравнено.

Уравнение реакции: Cu₂O + 3H₂SO₄ → 2CuSO₄ + SO₂ + 3H₂O

Окислитель: вещество, принимающее электроны (степень окисления понижается). В данном случае это H₂SO₄ (или сера в нём, S⁺⁶).

Восстановитель: вещество, отдающее электроны (степень окисления повышается). В данном случае это Cu₂O (или медь в нём, Cu⁺¹).

Ответ: Cu₂O + 3H₂SO₄ → 2CuSO₄ + SO₂ + 3H₂O. Окислитель: H₂SO₄, восстановитель: Cu₂O.