Условие задачи
Хром получают методом алюминотермии из его оксида (III), а вольфрам – восстановлением оксида вольфрама (VI) водородом. Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.
Решение
Ниже приводится подробное решение задачи по неорганической химии (применяются законы о перенесении электронов в реакциях восстановления/окисления).
──────────────────────────────
1. Хром
Начальные данные: хром получают алюминотермическим способом – восстановлением оксида хрома(III) алюминием. Исходный оксид – хром(III) оксид, химическая формула которого записывается как Cr₂O₃. При этом алюминий (Al) выступает в роли восстановителя, окисляясь до Al³⁺, а Cr³⁺ в Cr₂O₃ получает электроны, превращаясь в металлический хром (Cr⁰).
а) Молекулярное уравнение
Мы подбираем коэффициенты так, чтобы сохранился баланс элементов (хром, алюминий, кислород). Проверенный вариант уравнения имеет вид:
Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃
Проверка баланса:
• Хром: 2 атома слева (Cr₂O₃) = 2 атома справа (2Cr).
• Алюминий: 2 атома слева (2Al) = 2 атома справа (Al₂O₃).
• Кислород: 3 атома слева (Cr₂O₃) = 3 атома справа (Al₂O₃).
б) Электронное уравнение (полуреакции)
В данном восстановительном процессе можно выделить две полуреакции – восстановление Cr³⁺ до Cr⁰ и окисление Al до Al³⁺ с потерей электронов.
Для восстановления ионов хрома:
Cr³⁺ + 3e⁻ → Cr (1)
Так как в Cr₂O₃ содержится два иона Cr³⁺, данную полуреакцию умножаем на 2:
2Cr³⁺ + 6e⁻ → 2Cr
Для окисления алюминия:
Al → Al³⁺ + 3e⁻ (2)
Учитывая 2 атома алюминия (2Al), умножим уравнение (2) на 2, получим:
2Al → 2Al³⁺ + 6e⁻
Соединяя эти две полуреакции, электроны взаимно компенсируются. Далее посредством объединения ионов Al³⁺ с ионами O²⁻ (происходящими из Cr₂O₃) получается молекула Al₂O₃, что соответствует исходному молекулярному уравнению.
──────────────────────────────
2. Вольфрам
Исходное вещество – оксид вольфрама(VI), обычно обозначаемый как WO₃ (вольфрам находится в степени окисления +6). В реакцию восстановления вовлечён водород (H₂), который при окислении до ионов водорода отдаёт электроны и затем в присутствии кислорода образует воду. Итогом реакции является получение металлического вольфрама (W⁰).
а) Молекулярное уравнение
Запишем молекулярное уравнение, подбирая коэффициенты так, чтобы сохранился баланс по веществам:
WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O
Проверка баланса:
• Вольфрам: 1 атом слева (WO₃) = 1 атом справа (W).
• Кислород: 3 атома слева (WO₃) = 3 × 1 атом= 3 атома справа (3H₂O).
• Водород: 3 × 2 = 6 атомов слева (3H₂) = 3 × 2 = 6 атомов справа (3H₂O).
б) Электронное уравнение (полуреакции)
Рассмотрим реакции на полуреакционном уровне в кислой среде, где водород действует как восстановитель.
Полуреакция восстановления вольфрама:
WO₃ + 6H⁺ + 6e⁻ → W + 3H₂O (3)
В ней атом вольфрама восстанавливается с +6 до 0, для чего необходимо принять 6 электронов.
Полуреакция окисления водорода:
3H₂ → 6H⁺ + 6e⁻ (4)
Заметим, что если сложить уравнения (3) и (4), электроны и ионы водорода компенсируются, и получаем молекулярное уравнение:
WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O
──────────────────────────────
Выводы
1. Для получения хрома методом алюминотермии имеем:
Молекулярное уравнение:
Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃
Электронные полуреакции:
(а) 2Cr³⁺ + 6e⁻ → 2Cr
(б) 2Al → 2Al³⁺ + 6e⁻
2. Для получения вольфрама восстановлением оксида (VI) водородом имеется:
Молекулярное уравнение:
WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O
Электронные полуреакции:
(а) WO₃ + 6H⁺ + 6e⁻ → W + 3H₂O
(б) 3H₂ → 6H⁺ + 6e⁻
Таким образом, составлены и электронные, и молекулярные уравнения для обеих реакций, с соблюдением правил балансировки атомов и зарядов, а также учётом принципов переноса электронов в окислительно-восстановительных процессах.