Условие задачи

Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Fe 1 ⟶ FeCl2

FeCl2 2 ⟶ Fe(OH)2

Fe(OH)2 3 ⟶ Fe(OH)3

Fe(OH)3 4 ⟶ Fe2O3

Fe2O3 5 ⟶ Fe

Fe2O3 6 ⟶ FeCl3

FeCl3 7 ⟶ Fe(OH)3

FeCl3 8 ⟶ Fe

Рассмотрите два превращения (по выбору) с позиций окисления-восстановления. Реакции с участием электролитов напишите в молекулярной и ионных формах.

Решение

Ниже приведён подробный разбор задачи по неорганической химии – составлению уравнений превращений с участием процессов осаждения, кислотно‑основных реакций и окислительно‑восстановительных превращений. В решении для реакций, где участвуют электролиты, приведены и молекулярные, и ионные (нетто‑ионные) уравнения, а для двух выбранных редокс‑превращений показаны полуреакции.

─────────────────────────────
1) Превращение: Fe → FeCl₂

Мы знаем, что металлическое железо реагирует с соляной кислотой (электролитом) по схеме:
Молекулярное уравнение:
Fe + 2 HCl → FeCl₂ + H₂

Запишем его в ионной форме (при условии, что HCl полностью диссоциирован в растворе):
Fe(s) + 2 H⁺(aq) + 2 Cl⁻(aq) → Fe²⁺(aq) + 2 Cl⁻(aq) + H₂(g)
(нетто‑ионное уравнение: Fe(s) + 2 H⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + H₂(g))

─────────────────────────────
2) Превращение: FeCl₂ → Fe(OH)₂

При добавлении щёлочи (например, раствора NaOH) происходит осаждение нерастворимого гидроксида:
Молекулярное уравнение:
FeCl₂(aq) + 2 NaOH(aq) → Fe(OH)₂(s) + 2 NaCl(aq)

Для ионного уравнения распишем участвующие соли (NaCl и NaOH диссоциируют):
Начальные ионы: Fe²⁺(aq) + 2 Cl⁻(aq) + 2 Na⁺(aq) + 2 OH⁻(aq)
Образуются: Fe(OH)₂(s) + 2 Na⁺(aq) + 2 Cl⁻(aq)
Избавляясь от зрелищных ионов-наблюдателей (Na⁺, Cl⁻), получаем чистое (нетто‑ионное) уравнение:
Fe²⁺(aq) + 2 OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)

─────────────────────────────
3) Превращение: Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃

Это превращение происходит при окислении гидроксида железа(II) кислородом воздуха. Запишем общее уравнение:
4 Fe(OH)₂(s) + O₂(g) + 2 H₂O(l) → 4 Fe(OH)₃(s)

Поскольку задание просит рассмотреть два превращения с точки зрения окисления‑восстановления, выберём именно это преобразование. Разобьём его на полуреакции.

В нещёлочной среде удобно сместить часть гидроксид‑иона на левую сторону, поэтому в щелочной среде можем записать для одного атома Fe:
Окислительная полуреакция:
Fe(OH)₂ + OH⁻ → Fe(OH)₃ + e⁻
(здесь Fe переходит из степени +2 в степень +3, отдавая один электрон)

Для восстановления кислорода в щелочной среде используется стандартная полуреакция:
Восстановительная полуреакция:
O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻

Умножая окислительную полуреакцию на 4, получаем:
4 Fe(OH)₂ + 4 OH⁻ → 4 Fe(OH)₃ + 4 e⁻

Суммируя с восстановительной полуреакцией (4 e⁻ компенсируются), получаем итоговое уравнение:
4 Fe(OH)₂ + O₂ + 2 H₂O → 4 Fe(OH)₃

─────────────────────────────
4) Превращение: Fe(OH)₃ → Fe₂O₃

При нагревании гидроксида железа(III) отщепляется вода с образованием оксида:
Молекулярное уравнение:
2 Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃(s) + 3 H₂O(g)
(В зависимости от условий вода может выделяться в виде пара или жидкой формы)

─────────────────────────────
5) Превращение: Fe₂O₃ → Fe

Это восстановление оксида железа обычно проводят угарным газом (CO) в доменной печи:
Молекулярное уравнение:
Fe₂O₃(s) + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO₂(g)

Выберём это превращение в качестве второго примера редокс‑процесса. Разобьём на полуреакции.

Для восстановления оксида железа (в Fe₂O₃ железо имеет степень +3, а в Fe – 0) получаем:
Восстановительная полуреакция:
Fe₂O₃ + 6 e⁻ → 2 Fe
(на каждый атом Fe необходимо принять 3 е⁻, итого 6 е⁻ для двух атомов)

При окислении CO происходит переход от степени +2 в CO до +4 в CO₂ (отдача 2 электронов на каждую молекулу):
Окислительная полуреакция:
3 CO → 3 CO₂ + 6 e⁻

Суммируя полуреакции (6 e⁻ сокращаются), получаем итоговое уравнение:
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

─────────────────────────────
6) Превращение: Fe₂O₃ → FeCl₃

Оксид железа растворяется в соляной кислоте с образованием хлорида железа(III):
Молекулярное уравнение:
Fe₂O₃(s) + 6 HCl(aq) → 2 FeCl₃(aq) + 3 H₂O(l)

Ионное уравнение (при диссоциации HCl):
Fe₂O₃(s) + 6 H⁺(aq) + 6 Cl⁻(aq) → 2 Fe³⁺(aq) + 6 Cl⁻(aq) + 3 H₂O(l)
Нетто‑ионное уравнение: Fe₂O₃(s) + 6 H⁺(aq) → 2 Fe³⁺(aq) + 3 H₂O(l)

─────────────────────────────
7) Превращение: FeCl₃ → Fe(OH)₃

При добавлении щёлочи происходит осаждение гидроксида железа(III):
Молекулярное уравнение:
FeCl₃(aq) + 3 NaOH(aq) → Fe(OH)₃(s) + 3 NaCl(aq)

И ионное уравнение (после исключения зрелищных ионов):
Fe³⁺(aq) + 3 OH⁻(aq) → Fe(OH)₃(s)

─────────────────────────────
8) Превращение: FeCl₃ → Fe

Для восстановления Fe(III) до металлического железа можно использовать водород:
Молекулярное уравнение:
2 FeCl₃(aq) + 3 H₂(g) → 2 Fe(s) + 6 HCl(aq)

Запишем также и ионное уравнение (при диссоциации FeCl₃ и HCl):
2 Fe³⁺(aq) + 6 Cl⁻(aq) + 3 H₂(g) → 2 Fe(s) + 6 H⁺(aq) + 6 Cl⁻(aq)
Нетто‑ионное уравнение: 2 Fe³⁺(aq) + 3 H₂(g) → 2 Fe(s) + 6 H⁺(aq)

─────────────────────────────
Выбор редокс‑превращений и их анализ

А) Превращение Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃
В этом процессе железо переходит из степени +2 в степень +3 (окисление), а кислород (из молекулярного O₂) восстанавливается. Разбивка на полуреакции в щелочной среде:

1. Окислительная полуреакция (на один Fe):
Fe(OH)₂ + OH⁻ → Fe(OH)₃ + e⁻
(При этом атом железа отдает один электрон.)

2. Восстановительная полуреакция для кислорода:
O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻

Чтобы число электронов совпало, умножим первую полуреакцию на 4:
4 Fe(OH)₂ + 4 OH⁻ → 4 Fe(OH)₃ + 4 e⁻

Складывая с восстановительной полуреакцией:
4 Fe(OH)₂ + O₂ + 2 H₂O → 4 Fe(OH)₃

Таким образом, перераспределение электронов подтверждает редокс‑характер процесса.

Б) Превращение Fe₂O₃ → Fe
Здесь оксид железа (Fe в степени +3) восстанавливается до металлического железа (Fe⁰) с помощью угарного газа (CO), который сам окисляется до CO₂.

Разбивка на полуреакции:
1. Окислительная полуреакция (окисление CO):
3 CO → 3 CO₂ + 6 e⁻
(В каждой молекуле CO происходит отдача 2 электронов: C от +2 до +4.)

2. Восстановительная полуреакция (восстановление Fe₂O₃):
Fe₂O₃ + 6 e⁻ → 2 Fe
(Железо переходит из степени +3 в 0, каждый атом принимает по 3 электрона; для двух атомов – 6 e⁻.)

Суммируя, получаем:
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

Уравнение полностью сбалансировано по массе и заряду, что подтверждает правильность редокс‑анализа.

─────────────────────────────
Вывод

Задача охватывает преобразования железа между его разными химическими формами (Fe, FeCl₂, Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Fe₂O₃, FeCl₃) с участием кислотно‑основных реакций, осаждения и окислительно‑восстановительных процессов. Приведённые молекулярные и ионные уравнения демонстрируют, как именно происходит обмен веществ в растворах, где задействованы электролиты (HCl, NaOH). Дополнительно разобраны два примера редокс‑превращений:
– Окисление Fe(OH)₂ до Fe(OH)₃ кислородом,
– Восстановление Fe₂O₃ до Fe угарным газом (CO).

Данное решение исчерпывающе отражает методику записи химических уравнений в рамках неорганической химии с учётом закона сохранения массы и заряда.