29.11 Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: сульфит калия, перманганат калия, гидросульфид калия, гидроксид калия, ацетат бария, нитрат натрия. Допустимо использование водных растворов веществ. Из предложенного перечня выберите вещество-окислитель и вещество-восстановитель, реакция между которыми в соответствующей среде сопровождается образованием двух нерастворимых в воде веществ. В качестве среды для протекания реакции можно использовать воду или вещество, приведённое в перечне. В ответе запишите уравнение только одной из возможных окислительно-восстановительных реакций с участием выбранных веществ. Составьте электронный баланс (запишите уравнения процессов окисления и восстановления), укажите окислитель и восстановитель.

Решение:

В предложенном перечне веществ для реакции $$X + Cu_2O + H_2SO_4 \rightarrow MnSO_4 + Y + H_2O$$ нам нужно выбрать окислитель и восстановитель. Исходя из уравнения, $$Cu_2O$$ (оксид меди(I)) восстанавливается до $$MnSO_4$$ (сульфат марганца), а $$H_2SO_4$$ (серная кислота) является средой. Следовательно, $$X$$ должен быть восстановителем, а $$Y$$ — продуктом восстановления.

Рассмотрим предложенные вещества:

• Сульфит калия ($$K_2SO_3$$)
• Перманганат калия ($$KMnO_4$$)
• Гидросульфид калия ($$KHS$$)
• Гидроксид калия ($$KOH$$)
• Ацетат бария ($$Ba(CH_3COO)_2$$)
• Нитрат натрия ($$NaNO_3$$)

Для реакции с $$Cu_2O$$ и $$H_2SO_4$$, где $$Cu$$ переходит из степени окисления +1 в $$Mn$$ (предполагается +2 в $$MnSO_4$$), нам нужен сильный восстановитель, способный окисляться, и окислитель, который может восстанавливать $$Cu_2O$$.

Однако, в данном уравнении $$X$$ должен быть восстановителем, который окисляется, а $$Cu_2O$$ должен быть окислителем, который восстанавливается. Это не совсем стандартная реакция, где $$H_2SO_4$$ выступает средой.

Давайте переосмыслим. У нас есть $$X + Cu_2O + H_2SO_4 \rightarrow MnSO_4 + Y + H_2O$$. Это значит, что $$X$$ должен реагировать с $$Cu_2O$$ в кислой среде $$H_2SO_4$$, и в результате образуются $$MnSO_4$$ и $$Y$$.

Если $$X$$ — восстановитель, он должен повышать степень окисления. Если $$X$$ — окислитель, он должен понижать степень окисления. В правой части реакции $$MnSO_4$$ указывает на присутствие марганца. Это может быть $$KMnO_4$$ или $$NaMnO_4$$ из списка, которые являются сильными окислителями.

Если $$KMnO_4$$ (перманганат калия) является $$X$$, то в кислой среде он может окислять $$Cu_2O$$.

Предположим, что $$X$$ — это $$KMnO_4$$ (2) и $$Y$$ — это $$CuSO_4$$ (1).

Реакция могла бы выглядеть так: $$2KMnO_4 + 5Cu_2O + 7H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 10CuSO_4 + 2KHSO_4 + 7H_2O$$.

В этом случае $$KMnO_4$$ — окислитель, $$Cu_2O$$ — восстановитель.

Давайте рассмотрим другой вариант. Возможно, $$X$$ — это восстановитель, а $$Cu_2O$$ — окислитель, и $$MnSO_4$$ — это продукт восстановления $$Cu_2O$$ (что маловероятно, так как $$Cu$$ +1, а $$Mn$$ +2).

Перечитаем задание: «Из предложенного перечня выберите вещество-окислитель и вещество-восстановитель».

Уравнение: $$X + Cu_2O + H_2SO_4 \rightarrow MnSO_4 + Y + H_2O$$.

Здесь $$Cu_2O$$ (степень окисления $$Cu$$ +1) реагирует с $$H_2SO_4$$. В продуктах есть $$MnSO_4$$ (степень окисления $$Mn$$ +2). Это означает, что $$Mn$$ должен быть введен извне, и он должен быть окислителем или восстановителем, который привел к образованию $$MnSO_4$$.

Если $$X$$ — это $$KMnO_4$$ (2), тогда $$KMnO_4$$ (окислитель, $$Mn$$ +7) будет восстанавливаться. $$Cu_2O$$ (восстановитель, $$Cu$$ +1) будет окисляться.

Проверим: $$X = KMnO_4$$ (2). $$Y$$ может быть $$CuSO_4$$ (1).

Реакция: $$2KMnO_4 + 5Cu_2O + 7H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 10CuSO_4 + 2KHSO_4 + 7H_2O$$.

Здесь $$KMnO_4$$ — окислитель, $$Cu_2O$$ — восстановитель. $$MnSO_4$$ и $$CuSO_4$$ — продукты. $$Y$$ — $$CuSO_4$$.

Электронный баланс:

• Восстановление: $$MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O$$ (Mn +7 → +2, принял 5e-)
• Окисление: $$Cu_2O + 2H^+ \rightarrow 2Cu^{2+} + H_2O + 2e^-$$ (Cu +1 → +2, отдал 1e- на атом Cu, всего 2e- на $$Cu_2O$$).

Умножим восстановление на 2, окисление на 5.

$$2MnO_4^- + 16H^+ + 10e^- \rightarrow 2Mn^{2+} + 8H_2O$$

$$5Cu_2O + 10H^+ \rightarrow 10Cu^{2+} + 5H_2O + 10e^-$$

Суммируем:

$$2KMnO_4 + 5Cu_2O + 7H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 10CuSO_4 + 2KHSO_4 + 7H_2O$$.

Окислитель: $$KMnO_4$$. Восстановитель: $$Cu_2O$$.

В задании просят выбрать вещества $$X$$ и $$Y$$ из списка.

Уравнение: $$X + Cu_2O + H_2SO_4 \rightarrow MnSO_4 + Y + H_2O$$.

Если $$X$$ — перманганат калия ($$KMnO_4$$), то $$Mn$$ (+7) восстанавливается до $$Mn$$ (+2). $$Cu_2O$$ ($$Cu$$ +1) окисляется до $$Cu$$ (+2), следовательно $$Y$$ — $$CuSO_4$$.

Тогда: $$X = 2) K_2MnO_4$$ (в задании есть $$K_2MnO_4$$, но $$NaMnO_4$$ тоже есть, если считать, что $$K$$ и $$Na$$ не влияют на окислительно-восстановительные свойства, но $$KMnO_4$$ сильнее) или $$3) NaMnO_4$$? Пусть будет $$KMnO_4$$, так как оно есть в списке.

$$Y = 1) CuSO_4$$

Итого: $$X = 2) K_2MnO_4$$ (или $$NaMnO_4$$), $$Y = 1) CuSO_4$$.

Проверим задание: «Из предложенного перечня выберите вещество-окислитель и вещество-восстановитель».

В этом уравнении $$Cu_2O$$ является восстановителем, а $$KMnO_4$$ — окислителем.

Однако, задание просит выбрать $$X$$ и $$Y$$ из списка. А $$Cu_2O$$ не входит в список веществ для выбора $$X$$ и $$Y$$. $$Cu_2O$$ указано как реагент.

Давайте предположим, что $$X$$ — это вещество из списка, которое действует как восстановитель, а $$Y$$ — продукт, который является одним из веществ из списка.

Задача: $$X + Cu_2O + H_2SO_4 \rightarrow MnSO_4 + Y + H_2O$$.

$$Cu_2O$$ ($$Cu^+1$$) будет окисляться. $$Mn$$ ($$Mn^{+2}$$ в $$MnSO_4$$) должен быть введен из списка. $$Mn^{+7}$$ ($$KMnO_4$$ или $$NaMnO_4$$) будет восстанавливаться.

Значит, $$X$$ — это $$KMnO_4$$ (2) или $$NaMnO_4$$ (3). Возьмем $$KMnO_4$$ (2).

$$Y$$ — это продукт. $$Cu^{+1}$$ окисляется до $$Cu^{+2}$$ (в $$CuSO_4$$). Но $$CuSO_4$$ (1) тоже есть в списке.

В таком случае, $$X = 2) K_2MnO_4$$ (или $$3) NaMnO_4$$) и $$Y = 1) CuSO_4$$.

Уравнение: $$2KMnO_4 + 5Cu_2O + 7H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 10CuSO_4 + 2KHSO_4 + 7H_2O$$.

Выберем $$KMnO_4$$ как $$X$$.

$$X = 2) K_2MnO_4$$

$$Y = 1) CuSO_4$$

Окислитель: $$KMnO_4$$. Восстановитель: $$Cu_2O$$.

Составим электронный баланс для $$KMnO_4$$ и $$Cu_2O$$:

• $$Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$$ (Восстановление)
• $$2Cu^{+1} \rightarrow 2Cu^{+2} + 2e^-$$ (Окисление)

Минимальное общее кратное для 5 и 2 равно 10.

• $$2(Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2})$$
• $$5(2Cu^{+1} \rightarrow 2Cu^{+2} + 2e^-)$$

$$2KMnO_4 + 5Cu_2O + ... \rightarrow 2MnSO_4 + 10CuSO_4 + ...$$

Указание на «нерастворимые вещества» в условии задания отсутствует в данном уравнении, что сбивает с толку. Возможно, имеется в виду другое уравнение.

Перечитаем условие: «реакция между которыми в соответствующей среде сопровождается образованием двух нерастворимых в воде веществ».

Это значит, что $$X$$ и $$Y$$ должны быть из «перечня веществ», и реакция между ними (в кислой, щелочной среде или воде) должна давать 2 нерастворимых продукта.

Список веществ: сульфит калия ($$K_2SO_3$$), перманганат калия ($$KMnO_4$$), гидросульфид калия ($$KHS$$), гидроксид калия ($$KOH$$), ацетат бария ($$Ba(CH_3COO)_2$$), нитрат натрия ($$NaNO_3$$).

Давайте искать пару из этого списка, которая даст 2 нерастворимых продукта.

Возможные нерастворимые вещества из ионов этих веществ: $$BaSO_4$$, $$AgCl$$, $$PbSO_4$$, $$Cu(OH)_2$$, $$Fe(OH)_3$$, $$Al(OH)_3$$, $$Mn(OH)_2$$.

Рассмотрим реакцию между $$KMnO_4$$ (окислитель) и $$KHS$$ (восстановитель) в нейтральной или слабощелочной среде.

$$KMnO_4$$ ($$Mn^{+7}$$) + $$KHS$$ ($$S^{-2}$$) → $$MnO_2$$ (нерастворимый, $$Mn^{+4}$$) + $$S$$ (нерастворимый) + ...

$$X = KMnO_4$$ (2), $$Y = KHS$$ (3) (или наоборот, но $$KHS$$ — восстановитель, $$KMnO_4$$ — окислитель).

$$X = 2) K_2MnO_4$$ (окислитель), $$Y = 3) KHS$$ (восстановитель).

Реакция в нейтральной среде:

$$2KMnO_4 + 3KHS + H_2O \rightarrow 2MnO_2 ↓ + 3S ↓ + 5KOH$$.

Здесь образуются два нерастворимых вещества: $$MnO_2$$ и $$S$$.

Электронный баланс:

• $$Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}$$ (Восстановление)
• $$S^{-2} \rightarrow S^0 + 2e^-$$ (Окисление)

Минимальное общее кратное для 3 и 2 равно 6.

• $$2(Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4})$$
• $$3(S^{-2} \rightarrow S^0 + 2e^-)$$

$$2KMnO_4 + 3KHS + H_2O \rightarrow 2MnO_2 ↓ + 3S ↓ + 5KOH$$.

Окислитель: $$KMnO_4$$. Восстановитель: $$KHS$$.

$$X = 2) K_2MnO_4$$. $$Y$$ — не является продуктом, а реагентом.

Если $$X$$ — окислитель, $$Y$$ — восстановитель, то $$X=2)$$, $$Y=3)$$.

Уравнение реакции: $$2KMnO_4 + 3KHS + H_2O \rightarrow 2MnO_2 ↓ + 3S ↓ + 5KOH$$.

Электронный баланс:

• Окислитель: $$MnO_4^- + 3e^- + 2H_2O \rightarrow MnO_2 + 4OH^-$$ ($$Mn^{+7}$$ до $$Mn^{+4}$$)
• Восстановитель: $$HS^- \rightarrow S^0 + H^+ + 2e^-$$ ($$S^{-2}$$ до $$S^0$$)

Чтобы уравнять электроны, умножаем первое на 2, второе на 3:

• $$2MnO_4^- + 6e^- + 4H_2O \rightarrow 2MnO_2 + 8OH^-$$
• $$3HS^- \rightarrow 3S + 3H^+ + 6e^-$$

Суммируем: $$2KMnO_4 + 3KHS + H_2O \rightarrow 2MnO_2 + 3S + 5KOH$$.

Уточним среды. В нейтральной или слабощелочной среде $$KMnO_4$$ восстанавливается до $$MnO_2$$. $$S^{-2}$$ окисляется до $$S^0$$.

$$X = 2) K_2MnO_4$$ (окислитель). $$Y = 3) KHS$$ (восстановитель).

Продукты: $$MnO_2$$ (нерастворимый), $$S$$ (нерастворимый).

Уравнение: $$2KMnO_4 + 3KHS + H_2O \rightarrow 2MnO_2 ↓ + 3S ↓ + 5KOH$$.

Электронный баланс:

• Окисление: $$S^{2-} - 2e^- \rightarrow S^0$$
• Восстановление: $$Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}$$

Умножаем первое на 3, второе на 2:

• $$3S^{2-} - 6e^- \rightarrow 3S^0$$
• $$2Mn^{+7} + 6e^- \rightarrow 2Mn^{+4}$$

$$X = 2) K_2MnO_4$$, $$Y = 3) KHS$$.

Ответ: $$X = 2$$, $$Y = 3$$.

Уравнение реакции:

$$2KMnO_4 + 3KHS + H_2O \rightarrow 2MnO_2 ↓ + 3S ↓ + 5KOH$$.

Электронный баланс:

Окисление: $$S^{-2} - 2e^- \rightarrow S^0$$

Восстановление: $$Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}$$

$$2KMnO_4$$ — окислитель, $$3KHS$$ — восстановитель.