Условие задачи
Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно получить железо из пирита FeS2. Проставьте степени окисления и покажите переход электронов.
Решение
Ниже приводится подробное решение задачи по неорганической химии (окислительно-восстановительные реакции), в которой показываются изменения степеней окисления и перенос электронов, позволяющие получить металлическое железо из пирита FeS₂.
──────────────────────────────
1. Исходное вещество – пирит FeS₂
В пирите FeS₂ атом железа находится в степени окисления +2, а атомы серы объединены в дисульфид-иона (S₂)^(2–), то есть каждый атом серы имеет условную степень окисления –1.
──────────────────────────────
2. Первичный этап – окисление пирита при обжиге воздухом
При обжиге пирита кислородом происходит окисление как железа, так и серы с образованием оксида железа и диоксида серы. Одно из классических уравнений этой реакции имеет вид:
4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂
Проверим баланс:
• Железо: 4 Fe (слева) и 2 × 2 = 4 Fe (справа).
• Сера: 4 FeS₂ содержит 8 S, а справа – 8 SO₂ содержит 8 S.
• Кислород: 11 O₂ дают 22 O; справа оксид железа 2 Fe₂O₃ содержит 2 × 3 = 6 O, а SO₂ – 8 × 2 = 16 O; 6 + 16 = 22 O.
──────────────────────────────
3. Изменения степеней окисления и перенос электронов при обжиге
Рассмотрим изменения для каждого элемента в одном молекуле пирита FeS₂:
А. Для железа:
• Исходное состояние: Fe в FeS₂ имеет степень окисления +2.
• В оксиде железа Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3.
Изменение: Fe^(+2) → Fe^(+3) (потеря 1 электрона на атом).
Б. Для серы:
• Исходное состояние: каждый S в S₂^(2–) имеет степень окисления –1.
• В SO₂ сера имеет степень окисления +4.
Изменение: S^(–1) → S^(+4) (потеря 5 электронов на атом).
Поскольку в одной молекуле FeS₂ два атома серы, суммарно происходит потеря 2 × 5 = 10 электронов.
Итак, суммарная потеря электронов на одну формульную единицу FeS₂ составляет 1 (от Fe) + 10 (от двух S) = 11 электронов. Эти электроны «отдаются» кислороду, который, будучи восстановленным, превращается в соединения с кислородом (Fe₂O₃ и SO₂).
──────────────────────────────
4. Второй этап – восстановление оксида железа до металлического железа
Полученное оксидное железо (например, Fe₂O₃) можно восстановить до металлического железа с помощью восстановителя, например, угарного газа (CO) – процесс, применяемый в доменных печах.
Уравнение реакции восстановления выглядит так:
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂
Проверка баланса:
• Железо: 2 Fe с обеих сторон.
• Углерод: 3 CO → 3 CO₂, и баланс углерода соблюдается.
• Кислород: в Fe₂O₃ – 3 O, в 3 CO – 3 O; справа в 3 CO₂ – 3×2 = 6 O, что соответствует: 3 (из Fe₂O₃) + 3 (из CO) = 6 O.
──────────────────────────────
5. Изменения степеней окисления и перенос электронов при восстановлении
А. Для железа:
• В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3.
• При восстановлении до металлического железа Fe степень окисления становится 0.
Изменение: Fe^(+3) → Fe^(0); каждый атом железа приобретает 3 электрона.
Поскольку в одном молекуле Fe₂O₃ два атома железа, суммарно происходит присоединение 2 × 3 = 6 электронов.
Б. Для углерода:
• В CO углерод обычно имеет степень окисления +2 (хотя строго можно рассматривать, что не всегда удобно, но для данного примера – условно).
• В CO₂ углерод имеет степень окисления +4.
Изменение: C^(+2) → C^(+4); каждый атом углерода теряет 2 электрона.
Поскольку участвует 3 молекулы CO, суммарно происходит потеря 3 × 2 = 6 электронов.
Таким образом, число принятых электронами у железа (6) равно числу утраченных электронами у CO (6), что подтверждает перенос электронов.
──────────────────────────────
Итоговая схема получения металлического железа из пирита FeS₂ выглядит следующей последовательностью реакций:
1) Обжиг пирита воздухом:
4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂
Изменения степеней окисления:
• Fe: +2 → +3 (отдача 1 электрона на атом)
• S: –1 → +4 (отдача 5 электронов на атом)
2) Восстановление оксида железа угарным газом:
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂
Изменения степеней окисления:
• Fe: +3 → 0 (прием 3 электронов на атом)
• C: +2 → +4 (отдача 2 электронов на атом; 3 CO теряют 6 электронов в сумме, что компенсирует 6 электронов, полученных железом)
──────────────────────────────
Таким образом, посредством последовательного окисления пирита с образованием Fe₂O₃ и последующим восстановлением этого оксида угарным газом можно получить металлическое железо, при этом чётко прослеживаются изменения степеней окисления и перенос электронов согласно законам окислительно-восстановительных реакций.