Условие задачи
Составьте уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:а) FeO ⟶ Fe ⟶ FeCl3 ⟶ Fe(OH)3 ⟶ Fe2O3 ⟶ Fe2(SO4)3 ⟶ FeCl3б) Fe ⟶ FeCl2 ⟶ Fe(OH)2 ⟶ FeO ⟶ FeSO4 ⟶ FeCl2
Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения. В двух уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.
Решение
Ниже приводится подробное решение задачи, которая относится к неорганической химии (химии переходных металлов, процессам окислительно‑восстановительных превращений и обменным реакциям в растворах). Для каждого этапа мы записываем уравнения (иногда с указанием ионных форм) и в двух случаях проводим балансировку по методу электронного баланса с указанием окислителя и восстановителя.
──────────────────────────────
ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ОБЩАЯ СХЕМА ПРИВРАЩЕНИЙ
Обозначим последовательности превращений:
А) FeO ⟶ Fe ⟶ FeCl₃ ⟶ Fe(OH)₃ ⟶ Fe₂O₃ ⟶ Fe₂(SO₄)₃ ⟶ FeCl₃
Б) Fe ⟶ FeCl₂ ⟶ Fe(OH)₂ ⟶ FeO ⟶ FeSO₄ ⟶ FeCl₂
При этом реакции, протекающие в растворах, записаны также в виде ионных уравнений. Два из уравнений – окислительно‑восстановительные – расставлены с помощью электронного баланса с указанием окислителя и восстановителя.
──────────────────────────────
I. Последовательность А
1. Перевод оксида железа(II) (FeO) в металлическое железо (Fe).
Для восстановления Fe(II) до Fe(0) можно использовать водород как восстановитель.
Молекулярное уравнение:
FeO(тверд.) + H₂(газ) ⟶ Fe(тверд.) + H₂O(жид.)
Это – окислительно‑восстановительная реакция. Баланс проводим по полу‑реакциям:
• Полу‑реакция восстановления (FeO → Fe):
FeO + 2H⁺ + 2e⁻ ⟶ Fe + H₂O
• Полу‑реакция окисления (водород):
H₂ ⟶ 2H⁺ + 2e⁻
Соединяя, получаем:
FeO + H₂ ⟶ Fe + H₂O
При этом:
– Окислитель – FeO (он принимает 2e⁻, превращаясь из Fe(II) в Fe(0)).
– Восстановитель – H₂ (отдает 2e⁻, превращаясь из H₂ в 2H⁺).
2. Превращение железа (Fe) в хлорид железа(III) (FeCl₃).
Металлическое железо окисляют хлором. Обычно реакция проходит по схеме:
Молекулярное уравнение (составляем для двух молей Fe для удобства баланса электронов):
2Fe(тверд.) + 3Cl₂(газ) ⟶ 2FeCl₃(или в растворе Fe³⁺ + 3Cl⁻)
Ионное уравнение (при растворении FeCl₃):
2Fe(тверд.) + 3Cl₂ → 2Fe³⁺(водн.) + 6Cl⁻(водн.)
Проводим балансировку электронами:
• Полу‑реакция окисления (Fe → Fe³⁺):
Fe ⟶ Fe³⁺ + 3e⁻
Умножаем на 2: 2Fe ⟶ 2Fe³⁺ + 6e⁻
• Полу‑реакция восстановления (Cl₂ → 2Cl⁻):
Cl₂ + 2e⁻ ⟶ 2Cl⁻
Умножаем на 3: 3Cl₂ + 6e⁻ ⟶ 6Cl⁻
Общая реакция: 2Fe + 3Cl₂ ⟶ 2Fe³⁺ + 6Cl⁻ → 2FeCl₃
При этом:
– Окислитель – Cl₂ (принимает электроны).
– Восстановитель – Fe (отдает электроны).
3. Гидролиз FeCl₃ с образованием осадка Fe(OH)₃.
Молекулярное уравнение:
FeCl₃(водн.) + 3H₂O(жид.) ⟶ Fe(OH)₃(осадок) + 3HCl(водн.)
Ионное уравнение (важно показать образование осадка):
Fe³⁺(водн.) + 3H₂O(жид.) ⟶ Fe(OH)₃(тверд.) + 3H⁺(водн.)
(Cl⁻ остаются ионами‑зрителями и опускаются в схеме молекулярного уравнения)
4. Термическое превращение гидроксида железа(III) в оксид железа(III).
При нагревании гидроксида железа(III) выделяется вода:
2Fe(OH)₃(тверд.) ⟶ Fe₂O₃(тверд.) + 3H₂O(жид.)
5. Реакция оксида железа(III) с серной кислотой для получения сульфата железа(III).
Молекулярное уравнение:
Fe₂O₃(тверд.) + 3H₂SO₄(водн.) ⟶ Fe₂(SO₄)₃(водн.) + 3H₂O(жид.)
Ионное уравнение (с представлением кислот):
Fe₂O₃ + 6H⁺ + 3SO₄²⁻ ⟶ 2Fe³⁺ + 3SO₄²⁻ + 3H₂O
6. Замещение сульфат‑аниона на хлорид при реакции с хлоридом натрия для получения FeCl₃.
Молекулярное уравнение:
Fe₂(SO₄)₃(водн.) + 6NaCl(водн.) ⟶ 2FeCl₃(водн.) + 3Na₂SO₄(водн.)
Ионное уравнение (при полном распаде на ионы, зрители – Na⁺, SO₄²⁻, Cl⁻, Fe³⁺):
2Fe³⁺ + 3SO₄²⁻ + 6Na⁺ + 6Cl⁻ ⟶ 2Fe³⁺ + 6Cl⁻ + 6Na⁺ + 3SO₄²⁻
(здесь наблюдается обмен, в явном виде выписывать зрительские ионы можно не нужно)
──────────────────────────────
II. Последовательность Б
1. Получение FeCl₂ из металлического железа.
Металлическое железо при умеренном окислении хлором дает FeCl₂:
Молекулярное уравнение:
Fe(тверд.) + Cl₂(газ) ⟶ FeCl₂(или с растворением: Fe²⁺ + 2Cl⁻)
Проводим балансировку электронами:
• Полу‑реакция окисления:
Fe ⟶ Fe²⁺ + 2e⁻
• Полу‑реакция восстановления:
Cl₂ + 2e⁻ ⟶ 2Cl⁻
Общая реакция: Fe + Cl₂ ⟶ Fe²⁺ + 2Cl⁻, то есть FeCl₂.
При этом:
– Окислитель – Cl₂.
– Восстановитель – Fe.
2. Гидролиз FeCl₂ с образованием гидроксида железа(II).
Молекулярное уравнение:
FeCl₂(водн.) + 2H₂O(жид.) ⟶ Fe(OH)₂(осадок) + 2HCl(водн.)
Ионное уравнение:
Fe²⁺(водн.) + 2H₂O ⟶ Fe(OH)₂(тверд.) + 2H⁺(водн.)
3. Дегидратация гидроксида железа(II) с образованием оксида железа(II).
При нагревании гидроксида железа(II) происходит отщепление молекулы воды:
Fe(OH)₂(тверд.) ⟶ FeO(тверд.) + H₂O(жид.)
4. Получение сульфата железа(II) из оксида железа(II).
Оксид железа(II) реагирует с серной кислотой:
Молекулярное уравнение:
FeO(тверд.) + H₂SO₄(водн.) ⟶ FeSO₄(водн.) + H₂O(жид.)
Ионное уравнение (записывая H₂SO₄ как источник 2H⁺ и SO₄²⁻):
FeO + 2H⁺ + SO₄²⁻ ⟶ Fe²⁺ + SO₄²⁻ + H₂O
5. Замещение сульфат‑аниона на хлорид при взаимодействии с натриевым хлоридом для получения FeCl₂.
Молекулярное уравнение:
FeSO₄(водн.) + 2NaCl(водн.) ⟶ FeCl₂(водн.) + Na₂SO₄(водн.)
Ионное уравнение:
Fe²⁺ + SO₄²⁻ + 2Na⁺ + 2Cl⁻ ⟶ Fe²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻
(здесь обмен происходит между ионами, а зрительские ионы можно не выписывать отдельно)
──────────────────────────────
КРАТКОЕ РЕЗЮМЕ ОКСИДНО‑ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ С ЭЛЕКТРОННЫМ БАЛАНСИРОВАНИЕМ
1) Реакция восстановления FeO водородом:
FeO + H₂ ⟶ Fe + H₂O
Полу‑реакции:
— FeO + 2H⁺ + 2e⁻ ⟶ Fe + H₂O
— H₂ ⟶ 2H⁺ + 2e⁻
Окислитель: FeO; восстановитель: H₂.
2) Реакция окисления Fe до FeCl₃:
2Fe + 3Cl₂ ⟶ 2FeCl₃
Полу‑реакции:
— Fe ⟶ Fe³⁺ + 3e⁻ (×2: 2Fe ⟶ 2Fe³⁺ + 6e⁻)
— Cl₂ + 2e⁻ ⟶ 2Cl⁻ (×3: 3Cl₂ + 6e⁻ ⟶ 6Cl⁻)
Окислитель: Cl₂; восстановитель: Fe.
(Также можно использовать окислительно‑восстановительную реакцию в последовательности Б для получения FeCl₂, где аналогичным образом Cl₂ окисляет Fe до степени +2.)
──────────────────────────────
ИТОГОВОЕ РЕШЕНИЕ
Поскольку задание состоит из составления уравнений реакций с указанием ионных уравнений для реакций в растворе и баланса электронами в двух окислительно‑восстановительных реакциях, ниже приведён полный перечень уравнений по каждой последовательности.
──────────────────────────────
Последовательность А
1. Восстановление оксида железа(II):
FeO(т) + H₂(г) ⟶ Fe(т) + H₂O(ж)
(сбалансировано по электронам: FeO + 2H⁺ + 2e⁻ ⟶ Fe + H₂O, H₂ ⟶ 2H⁺ + 2e⁻)
Окислитель: FeO; восстановитель: H₂.
2. Окисление Fe до FeCl₃:
2Fe(т) + 3Cl₂(г) ⟶ 2FeCl₃(водн.)
Ионное уравнение (после диссоциации FeCl₃):
2Fe(т) + 3Cl₂ ⟶ 2Fe³⁺ + 6Cl⁻
Полу‑реакции:
Fe ⟶ Fe³⁺ + 3e⁻ (×2), Cl₂ + 2e⁻ ⟶ 2Cl⁻ (×3)
Окислитель: Cl₂; восстановитель: Fe.
3. Гидролиз FeCl₃:
FeCl₃(водн.) + 3H₂O ⟶ Fe(OH)₃(осад.) + 3HCl(водн.)
Ионное уравнение:
Fe³⁺ + 3H₂O ⟶ Fe(OH)₃(т) + 3H⁺
4. Термическое преобразование гидроксида:
2Fe(OH)₃(т) ⟶ Fe₂O₃(т) + 3H₂O
5. Реакция оксида с серной кислотой:
Fe₂O₃(т) + 3H₂SO₄(водн.) ⟶ Fe₂(SO₄)₃(водн.) + 3H₂O
Ионное уравнение:
Fe₂O₃ + 6H⁺ + 3SO₄²⁻ ⟶ 2Fe³⁺ + 3SO₄²⁻ + 3H₂O
6. Замещение сульфата на хлорид:
Fe₂(SO₄)₃(водн.) + 6NaCl(водн.) ⟶ 2FeCl₃(водн.) + 3Na₂SO₄(водн.)
(При полной диссоциации пишутся ионы, однако зрительские ионы можно опустить в итоговой форме.)
──────────────────────────────
Последовательность Б
1. Окисление металлического железа до FeCl₂:
Fe(т) + Cl₂(г) ⟶ FeCl₂(водн.)
Ионное уравнение:
Fe + Cl₂ ⟶ Fe²⁺ + 2Cl⁻
Полу‑реакции:
Fe ⟶ Fe²⁺ + 2e⁻, Cl₂ + 2e⁻ ⟶ 2Cl⁻
Окислитель: Cl₂; восстановитель: Fe.
2. Гидролиз FeCl₂:
FeCl₂(водн.) + 2H₂O ⟶ Fe(OH)₂(осад.) + 2HCl(водн.)
Ионное уравнение:
Fe²⁺ + 2H₂O ⟶ Fe(OH)₂(т) + 2H⁺
3. Отщепление воды из гидроксида:
Fe(OH)₂(т) ⟶ FeO(т) + H₂O
4. Реакция оксида с серной кислотой для получения сульфата:
FeO(т) + H₂SO₄(водн.) ⟶ FeSO₄(водн.) + H₂O
Ионное уравнение:
FeO + 2H⁺ + SO₄²⁻ ⟶ Fe²⁺ + SO₄²⁻ + H₂O
5. Замещение сульфата на хлорид:
FeSO₄(водн.) + 2NaCl(водн.) ⟶ FeCl₂(водн.) + Na₂SO₄(водн.)
Ионное уравнение:
Fe²⁺ + SO₄²⁻ + 2Na⁺ + 2Cl⁻ ⟶ Fe²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻
──────────────────────────────
Заключение
Таким образом, для последовательностей превращений А и Б нами составлены уравнения химических реакций. Для тех реакций, которые протекают в растворе, приведены соответствующие ионные уравнения, а в двух окислительно‑восстановительных реакциях (1. FeO + H₂ ⟶ Fe + H₂O и 2. 2Fe + 3Cl₂ ⟶ 2FeCl₃, (а также аналогичная реакция в последовательности Б)) коэффициенты расставлены методом электронного баланса с указанием окислителя (FeO или Cl₂) и восстановителя (H₂ или Fe).
Это и является полным подробным решением задачи согласно правилам неорганической химии с использованием символов Unicode вместо LaTeX.