Номер 498, страница 76 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

498. Какое химическое количество $ \text{HNO}_3 $ расходуется на окисление цинка химическим количеством 1 моль в реакции, протекающей по схеме:

$ \text{Zn} + \text{HNO}_3 \to \text{Zn}(\text{NO}_3)_2 + \text{NH}_4\text{NO}_3 + \text{H}_2\text{O}? $

Дано:

$n(Zn) = 1 \text{ моль}$

Схема реакции: $Zn + HNO_3 \rightarrow Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + H_2O$

Найти:

$n(HNO_3) - ?$

Решение:

Для решения задачи необходимо сначала уравнять химическую реакцию. Это окислительно-восстановительная реакция, для её уравнивания применим метод электронного баланса. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:

$ \stackrel{0}{Zn} + H\stackrel{+5}{N}O_3 \rightarrow \stackrel{+2}{Zn}(NO_3)_2 + \stackrel{-3}{N}H_4NO_3 + H_2O $

Цинк ($Zn$) повышает свою степень окисления с 0 до +2, он является восстановителем. Азот ($N$) в составе азотной кислоты понижает свою степень окисления с +5 до -3 (в ионе аммония $NH_4^+$), являясь окислителем.

Составим полуреакции окисления и восстановления:

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$ | 4 (процесс окисления)

$N^{+5} + 8e^- \rightarrow N^{-3}$ | 1 (процесс восстановления)

Чтобы сбалансировать число отданных и принятых электронов, находим наименьшее общее кратное для 2 и 8, которое равно 8. Умножаем первую полуреакцию на 4, а вторую на 1. Эти числа являются коэффициентами для соответствующих веществ в уравнении реакции.

Подставим коэффициенты в схему реакции:

$4Zn + HNO_3 \rightarrow 4Zn(NO_3)_2 + 1NH_4NO_3 + H_2O$

Теперь уравняем остальные элементы. Справа в продуктах реакции всего $4 \cdot 2 + 1 + 1 = 10$ атомов азота (8 в нитрате цинка и 2 в нитрате аммония). Следовательно, перед $HNO_3$ слева нужно поставить коэффициент 10.

$4Zn + 10HNO_3 \rightarrow 4Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + H_2O$

Далее уравняем водород. Слева 10 атомов водорода в $10HNO_3$. Справа 4 атома водорода в $NH_4NO_3$. Недостающие $10 - 4 = 6$ атомов водорода должны быть в воде. Следовательно, перед $H_2O$ ставим коэффициент 3 (так как $3 \cdot 2 = 6$).

Получаем итоговое сбалансированное уравнение реакции:

$4Zn + 10HNO_3 = 4Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3H_2O$

Для проверки сбалансируем атомы кислорода: слева $10 \cdot 3 = 30$ атомов. Справа $4 \cdot 2 \cdot 3 + 3 + 3 = 24 + 3 + 3 = 30$ атомов. Уравнение сбалансировано верно.

Согласно уравнению реакции, на окисление 4 моль цинка расходуется 10 моль азотной кислоты. Составим пропорцию, чтобы найти, какое химическое количество азотной кислоты потребуется для окисления 1 моль цинка:

$\frac{n(Zn)}{n(HNO_3)} = \frac{4 \text{ моль}}{10 \text{ моль}}$

Из этой пропорции выразим и рассчитаем искомое количество $HNO_3$ для реакции с 1 моль $Zn$:

$n(HNO_3) = \frac{10}{4} \cdot n(Zn) = \frac{10}{4} \cdot 1 \text{ моль} = 2.5 \text{ моль}$

Ответ: на окисление 1 моль цинка расходуется 2,5 моль $HNO_3$.