Медь и азотная кислота: разная концентрация — разный продукт

Условие

Медь обработали концентрированной азотной кислотой, а в другом опыте — разбавленной. Запишите оба уравнения, расставьте коэффициенты методом электронного баланса и объясните, почему продукты восстановления азота разные. Укажите, в каком случае окислитель расходуется экономнее.

Что известно и что ищем

• Известны реагенты и то, что концентрация кислоты разная.
• Ищем два уравнения с балансом и объяснение различия продуктов.
• Ключ: азот в кислоте стоит в высшей степени окисления и может понижать её на разное число ступеней.

Ход решения

• Шаг 1. Фиксируем степень окисления азота. В азотной кислоте это плюс пять — максимальная для азота. Значит, кислота может только принимать электроны, то есть быть окислителем, а водород в ней окислителем не работает.
• Шаг 2. Считаем первую реакцию. Медь отдаёт два электрона и переходит в плюс два. Азот в концентрированной кислоте понижает степень окисления на одну ступень, до плюс четыре: образуется оксид азота(IV). На два электрона меди нужно два атома азота, поэтому окислителем работает каждая вторая молекула кислоты. Уравнение: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.
• Шаг 3. Проверяем первую реакцию по атомам. Меди по одному атому; азота четыре слева и четыре справа (два в соли и два в оксиде); водорода четыре; кислорода двенадцать слева и двенадцать справа. Баланс сходится.
• Шаг 4. Считаем вторую реакцию. В разбавленной кислоте азот понижает степень окисления сразу на три ступени, до плюс два: образуется оксид азота(II). Теперь на одну молекулу оксида нужно три электрона, а каждая медь даёт два, поэтому коэффициенты подбираются через наименьшее общее кратное шести: три атома меди и два атома азота. Уравнение: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.
• Шаг 5. Проверяем вторую реакцию по атомам. Меди три; азота восемь слева и восемь справа (шесть в соли и два в оксиде); водорода восемь; кислорода двадцать четыре слева и двадцать четыре справа. Баланс сходится.
• Шаг 6. Отвечаем на вопрос про экономию. В первой реакции окислителем работает половина кислоты, во второй — из восьми молекул только две, то есть четверть. Значит, разбавленная кислота расходуется на окисление экономнее, но зато даёт продукт с более глубоким восстановлением азота.
• Шаг 7. Формулируем вывод: продукт восстановления азотной кислоты определяется и концентрацией, и активностью металла. Чем глубже восстановление, тем меньше кислоты нужно на окисление.

Проверь себя

• Ответ: с концентрированной кислотой Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O; с разбавленной 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.
• Проверка вывода: полуреакции сведены по числу электронов, оба уравнения проверены по атомам.
• Ловушка: искать водород в продуктах. Азотная кислота окисляет медь, а не ион водорода, поэтому водород не выделяется.

Как объяснить ребёнку

«Азот в кислоте похож на человека на верхней ступеньке: он может спуститься на одну ступеньку или сразу на три. Сколько ступенек он пройдёт, зависит от того, что вокруг: в концентрированной кислоте он спускается осторожно, а в разбавленной идёт вниз глубже. От этого и зависит, какой газ получится».

Тема для отчёта родителю

«Азотная кислота как окислитель: почему продукт зависит от концентрации».

Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.