Условие задачи

Феррат калия K2FeO4 образуется при сплавлении Fe2O3 с калийной селитрой KNO3 в присутствии KOH. Составьте электронные и молекулярное уравнения реакции.

Решение

Ниже представлено подробное решение задачи по неорганической химии (окислительно-восстановительные реакции в щёлочной среде).

Задача сводится к составлению:
1. Электронного (полуреакционного) уравнения, показывающего, как окисляется железо(III) в составе оксида Fe₂O₃ до комплекс-ионов феррата FeO₄²⁻ (в составе солей типа K₂FeO₄), а также восстановления нитрат-ионов NO₃⁻ до нитрит-ионов NO₂⁻.
2. Молекулярного уравнения реакции с участием калийной селитры (KNO₃) и KOH.

При сплавлении (то есть в расплаве) компоненты реагируют в щёлочной среде, что позволяет записывать реакции в условиях избытка OH⁻.

Мы знаем экспериментально установленный результат, согласно которому реакция протекает по схеме:

Fe₂O₃ + 3 KNO₃ + 4 KOH → 2 K₂FeO₄ + 3 KNO₂ + 2 H₂O

Нам необходимо показать, что это уравнение правильно сбалансировано, а также составить электронное уравнение реакции.

────────────────────────────
1. Составляем полуреакции

Поскольку в реакциях в щёлочной среде удобно записывать их в виде ионных уравнений, «разобьём» общую реакцию на две полуреакции: окислительную (оксидирование железа) и восстановительную (восстановление нитрат-ионов).

А. Окисление железа (Fe(III) → Fe(VI) в виде ферата)

Мы рассматриваем превращение оксида железа Fe₂O₃ в феррат-ион FeO₄²⁻ в условиях избытка OH⁻. При этом каждая железная единица из Fe₂O₃ переходит из степени окисления +3 в +6 (то есть теряет 3 электрона). Так, для двух атомов железа суммарно теряется 6 электронов.

Найдём коэффициенты, подбирая количество OH⁻ и H₂O так, чтобы соблюсти массовый и зарядовой баланс.

Предположим, что полуреакция имеет вид:

Fe₂O₃ + 10 OH⁻ → 2 FeO₄²⁻ + 5 H₂O + 6 e⁻

Проверим баланс:
• Железо: слева 2, справа 2.
• Кислород: в Fe₂O₃ – 3 атома, + 10 из OH⁻ → 3 + 10 = 13; справа: 2 · 4 = 8 (в ферате) + 5 в H₂O = 8 + 5 = 13.
• Водород: слева 10 (из 10 OH⁻), справа 5·2 = 10.
• Заряд: слева −10, справа 2 · (−2) = −4, плюс 6 e⁻ (каждый −1) даёт −4 − 6 = −10.

Таким образом, полуреакция корректно сбалансирована.

Б. Восстановление нитрат-ионов (NO₃⁻ → NO₂⁻) в щёлочной среде

Нитрат-ион (NO₃⁻) при восстановлении до нитрит-ионa (NO₂⁻) изменяет степень окисления азота с +5 до +3 (то есть приобретает 2 электрона).

Запишем сначала уравнение для одной молекулы:
NO₃⁻ + H₂O + 2 e⁻ → NO₂⁻ + 2 OH⁻

Проверим баланс:
• Азот: 1 с обеих сторон.
• Кислород: слева 3 (NO₃⁻) + 1 (H₂O) = 4; справа 2 (NO₂⁻) + 2 (2 OH⁻) = 4.
• Водород: слева 2, справа 2.
• Заряд: слева −1 + (0) – 2 = −3; справа −1 + (2 · (−1)) = −3.

Чтобы число электронов, участвующих в этой полуреакции, согласовалось с числом, выделяемых при окислении Fe₂O₃ (6 e⁻), умножаем данное уравнение на 3:
3 NO₃⁻ + 3 H₂O + 6 e⁻ → 3 NO₂⁻ + 6 OH⁻

────────────────────────────
2. Суммируем полуреакции

Запишем окислительную и восстановительную полуреакции друг над другом:

Окисление:
Fe₂O₃ + 10 OH⁻ → 2 FeO₄²⁻ + 5 H₂O + 6 e⁻

Восстановление:
3 NO₃⁻ + 3 H₂O + 6 e⁻ → 3 NO₂⁻ + 6 OH⁻

Складываем, сокращая 6 e⁻, присутствующие с обеих сторон:

Fe₂O₃ + 10 OH⁻ + 3 NO₃⁻ + 3 H₂O → 2 FeO₄²⁻ + 5 H₂O + 3 NO₂⁻ + 6 OH⁻

Сократим одинаковые части: с обеих сторон можно вычесть 3 H₂O и 6 OH⁻ (так как 10 OH⁻ – 6 OH⁻ = 4 OH⁻, а 5 H₂O – 3 H₂O = 2 H₂O). Получаем:
Fe₂O₃ + 3 NO₃⁻ + 4 OH⁻ → 2 FeO₄²⁻ + 3 NO₂⁻ + 2 H₂O

Это – суммарное ионное (электронное) уравнение реакции.

────────────────────────────
3. Записываем молекулярное уравнение

Учтём, что реакция проводится с участием калийных солей, поэтому ионы OH⁻, NO₃⁻, FeO₄²⁻ и NO₂⁻ связаны с ионами K⁺. При использовании KNO₃ и KOH соответствующим образом добавляются калиевые контр-ионы. Приводя ионное уравнение к молекулярному, получим:

Fe₂O₃ + 3 KNO₃ + 4 KOH → 2 K₂FeO₄ + 3 KNO₂ + 2 H₂O

Проверим балансировку по элементам:
• Fe: слева 2 (из Fe₂O₃), справа 2 (в 2 K₂FeO₄).
• K: слева 3 + 4 = 7, справа 2·2 + 3 = 4 + 3 = 7.
• N: слева 3, справа 3.
• O: слева – Fe₂O₃ даёт 3, KNO₃ – 3×3 = 9, KOH – 4; суммарно 3 + 9 + 4 = 16; справа – K₂FeO₄: 2×4 = 8, KNO₂: 3×2 = 6, H₂O: 2, суммарно 8 + 6 + 2 = 16.
• H: слева 4 (из 4 KOH), справа 2×2 = 4.

Таким образом, молекулярное уравнение также сбалансировано.

────────────────────────────
Ответ

Электронное (ионное) уравнение реакции в щёлочной среде (после суммирования полуреакций):

Fe₂O₃ + 3 NO₃⁻ + 4 OH⁻ → 2 FeO₄²⁻ + 3 NO₂⁻ + 2 H₂O

Молекулярное уравнение реакции:

Fe₂O₃ + 3 KNO₃ + 4 KOH → 2 K₂FeO₄ + 3 KNO₂ + 2 H₂O

Данное решение основано на методике балансировки окислительно-восстановительных реакций в щёлочной среде с выделением полуреакций и последующим их сложением с учётом числового баланса как по атомам, так и по зарядам.