Условие задачи
Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции:
FeSO4 + KClO3 + KOH → K2FeO4 + KCl + K2SO4 + H2O
Определите окислитель и восстановитель.
Решение
Ниже приводится решение задачи по дисциplине «Неорганическая химия» с использованием метода электронного (редокс) баланса, при котором балансируются как атомы, так и электроны. В данном примере происходит окислительно-восстановленная реакция, где железо из FeSO₄ переходит из степени окисления +2 в ферратный ион FeO₄²⁻ (в соединении K₂FeO₄, где Fe имеет степень +6), а хлор из хлорат-иона (Cl в KClO₃, где его степень +5) восстанавливается до Cl⁻ (в соединении KCl). Таким образом, окислителем является вещество, содержащее хлорат (KClO₃), а восстановителем – FeSO₄.
Ниже приведено подробное решение.
──────────────────────────────
1. Определение изменений степени окисления
а) Для железа:
– В FeSO₄: SO₄²⁻ имеет –2, значит Fe = +2.
– В K₂FeO₄: два K⁺ по +1 дают +2, четыре O по –2 дают –8, чтобы сумма была 0, Fe должно быть: +2 + x – 8 = 0 ⇒ x = +6.
Таким образом, Fe переходит от +2 к +6 – процесс окисления (отдает электроны).
б) Для хлора:
– В KClO₃: пусть степень Cl равна x, тогда: +1 (K) + x + 3·(–2) = 0, откуда x = +5.
– В KCl: Cl имеет степень –1.
Итак, Cl переходит от +5 к –1 – процесс восстановления (принимает электроны).
──────────────────────────────
2. Запись полуреакций и их балансировка (среда щелочная)
Нужно составить две полуреакции – для окисления железа и для восстановления хлора.
──────────────────────────────
2.1. Полуреакция окисления Fe²⁺ → FeO₄²⁻
Начинаем с ионного уравнения (учтем, что FeSO₄ даёт Fe²⁺, а K₂FeO₄ – FeO₄²⁻). Балансируем сначала в кислой среде, а затем переводим в щелочную.
(1) Записываем исходное:
Fe²⁺ → FeO₄²⁻
(2) Балансируем атомы: железо уже сбалансировано.
(3) Балансируем кислород. На правой стороне 4 O, на левой нет O. Добавляем 4 H₂O слева:
Fe²⁺ + 4 H₂O → FeO₄²⁻
(4) Балансируем водород. Слева теперь 4 H₂O дают 8 H, добавляем 8 H⁺ справа:
Fe²⁺ + 4 H₂O → FeO₄²⁻ + 8 H⁺
(5) Балансируем заряд. Левая сторона имеет +2; правая: FeO₄²⁻ (–2) + 8 H⁺ (+8) = +6. Чтобы уравнять, необходимо добавить 4 e⁻ на правую сторону (так как при окислении электроны отходят):
Fe²⁺ + 4 H₂O → FeO₄²⁻ + 8 H⁺ + 4 e⁻
(6) Переводим в щелочную среду: ко всем H⁺ прибавляем равное число OH⁻, здесь 8 OH⁻, получаем:
Fe²⁺ + 4 H₂O + 8 OH⁻ → FeO₄²⁻ + 8 H⁺ + 8 OH⁻ + 4 e⁻
Замечая, что 8 H⁺ + 8 OH⁻ = 8 H₂O, перепишем:
Fe²⁺ + 4 H₂O + 8 OH⁻ → FeO₄²⁻ + 8 H₂O + 4 e⁻
(7) Сократим, вычитая 4 H₂O из обеих сторон:
Fe²⁺ + 8 OH⁻ → FeO₄²⁻ + 4 H₂O + 4 e⁻
Таким образом, полуреакция окисления выглядит так:
Fe²⁺ + 8 OH⁻ → FeO₄²⁻ + 4 H₂O + 4 e⁻
──────────────────────────────
2.2. Полуреакция восстановления ClO₃⁻ → Cl⁻
Исходный вид: хлор в хлорате (ClO₃⁻) восстанавливается до Cl⁻.
Вначале балансируем в кислой среде, затем переводим в щелочную.
(1) Записываем:
ClO₃⁻ → Cl⁻
(2) Балансируем кислород. В ClO₃⁻ 3 O, на правой стороне нет, добавляем 3 H₂O справа:
ClO₃⁻ → Cl⁻ + 3 H₂O
(3) Балансируем водород. Справа 3 H₂O дают 6 H, добавляем 6 H⁺ слева:
ClO₃⁻ + 6 H⁺ → Cl⁻ + 3 H₂O
(4) Балансируем заряд. Левая сторона: –1 +6 = +5; правая: –1. Чтобы разница в +6 компенсировать, добавляем 6 e⁻ слева (при восстановлении электроны присоединяются):
ClO₃⁻ + 6 H⁺ + 6 e⁻ → Cl⁻ + 3 H₂O
(5) Переводим в щелочную среду: ко всем H⁺ прибавляем равное число OH⁻, здесь 6 OH⁻:
ClO₃⁻ + 6 H⁺ + 6 OH⁻ + 6 e⁻ → Cl⁻ + 3 H₂O + 6 OH⁻
Так как 6 H⁺ + 6 OH⁻ = 6 H₂O, получаем:
ClO₃⁻ + 6 H₂O + 6 e⁻ → Cl⁻ + 3 H₂O + 6 OH⁻
(6) Сократим, вычитая 3 H₂O с обеих сторон:
ClO₃⁻ + 3 H₂O + 6 e⁻ → Cl⁻ + 6 OH⁻
Таким образом, полуреакция восстановления выглядит так:
ClO₃⁻ + 3 H₂O + 6 e⁻ → Cl⁻ + 6 OH⁻
──────────────────────────────
3. Приведение полуреакций к общему виду
Найдем наименьшее общее кратное (НОК) для числа электронов – у окисления 4 e⁻, у восстановления 6 e⁻; НОК = 12.
Умножим полуреакции:
• Для окисления умножим на 3:
3 Fe²⁺ + 24 OH⁻ → 3 FeO₄²⁻ + 12 H₂O + 12 e⁻
• Для восстановления умножим на 2:
2 ClO₃⁻ + 6 H₂O + 12 e⁻ → 2 Cl⁻ + 12 OH⁻
Теперь сложим данные полуреакции:
Левая сторона:
3 Fe²⁺ + 24 OH⁻ + 2 ClO₃⁻ + 6 H₂O + 12 e⁻
Правая сторона:
3 FeO₄²⁻ + 12 H₂O + 12 e⁻ + 2 Cl⁻ + 12 OH⁻
Сократим 12 e⁻ с обеих сторон, затем сравним OH⁻ и H₂O.
• От 24 OH⁻ слева и 12 OH⁻ справа остаётся 12 OH⁻ на левой стороне.
• От 12 H₂O справа и 6 H₂O слева остаётся 6 H₂O на правой стороне.
Таким образом, получаем чистое (нетионное) уравнение:
3 Fe²⁺ + 2 ClO₃⁻ + 12 OH⁻ → 3 FeO₄²⁻ + 2 Cl⁻ + 6 H₂O
──────────────────────────────
4. Возвращение молекулярных форм с учётом зрителей
В исходном задании все соединения присутствуют в виде молекул:
FeSO₄, KClO₃, KOH → K₂FeO₄, KCl, K₂SO₄, H₂O
При этом:
• FeSO₄ является источником иона Fe²⁺ и SO₄²⁻.
• KClO₃ – источником ClO₃⁻ (и K⁺).
• KOH – источником OH⁻ (и K⁺).
На правой стороне:
• K₂FeO₄ содержит ион FeO₄²⁻ и 2 K⁺.
• KCl – даёт Cl⁻ и K⁺.
• K₂SO₄ – даёт SO₄²⁻ и 2 K⁺.
Поскольку SO₄²⁻ и K⁺ не участвуют в переносе электронов (они только «зрители»), их коэффициенты определяются из сохранения атомов.
Подберём коэффициенты так, чтобы сохранить как атомы Fe, Cl, S, K, O, H:
Обозначим коэффициенты уравнения:
a FeSO₄ + b KClO₃ + c KOH → d K₂FeO₄ + e KCl + f K₂SO₄ + g H₂O
Составим баланс по основным элементам:
1. Fe:
a = d
2. S:
a = f
3. Cl:
b = e
4. K:
Всего K слева: b (из KClO₃) + c (из KOH)
Справа: 2d (из K₂FeO₄) + e (из KCl) + 2f (из K₂SO₄) = 2a + b + 2a = 4a + b
Итак: b + c = 4a + b ⇒ c = 4a
5. O:
Слева:
FeSO₄: 4a,
KClO₃: 3b,
KOH: c
Всего: 4a + 3b + c
Справа:
K₂FeO₄: 4d = 4a,
KCl: 0,
K₂SO₄: 4f = 4a,
H₂O: g
Всего: 4a + 4a + g = 8a + g
Получаем: 4a + 3b + c = 8a + g
Но c = 4a, значит: 4a + 3b + 4a = 8a + 3b = 8a + g, откуда g = 3b
6. H:
Слева: KOH даёт c = 4a атомов H
Справа: H₂O даёт 2g
То есть: 4a = 2g ⇒ g = 2a
С другой стороны g = 3b, откуда 3b = 2a, т.е. b = (2⁄3)a. Чтобы коэффициенты были целыми, положим a = 3. Тогда:
a = 3,
d = 3,
f = 3,
b = 2, ⇒ e = 2,
c = 4a = 12,
g = 2a = 6.
Таким образом, окончательное уравнение имеет вид:
3 FeSO₄ + 2 KClO₃ + 12 KOH → 3 K₂FeO₄ + 2 KCl + 3 K₂SO₄ + 6 H₂O
Проверка:
• По Fe: 3 с обеих сторон.
• По S: 3 с обеих сторон.
• По Cl: 2 с обеих сторон.
• По K: слева 2 + 12 = 14; справа: 3∙2 + 2 + 3∙2 = 6 + 2 + 6 = 14.
• По O и H – сходятся при учёте молекул.
──────────────────────────────
5. Определение окислителя и восстановителя
Из анализа изменения степеней окисления:
– Fe в FeSO₄ переходит из +2 в +6 (окисляется, отдает электроны)
– Cl в KClO₃ (ClO₃⁻) переходит из +5 в –1 (восстанавливается, принимает электроны)
Следовательно, восстановителем является FeSO₄ (Fe²⁺), а окислителем – KClO₃ (хлорат).
──────────────────────────────
Ответ:
Уравнение реакции, уравновешенное по электронному балансу:
3 FeSO₄ + 2 KClO₃ + 12 KOH → 3 K₂FeO₄ + 2 KCl + 3 K₂SO₄ + 6 H₂O
При этом FeSO₄ (точнее, Fe²⁺) является восстановителем, а KClO₃ (точнее, ClO₃⁻) – окислителем.