Условие задачи
Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:а) S ⟶ FeS2 ⟶ SO2 ⟶ SO3 ⟶ H2SO4 ⟶ Fe2(SO4)3 ⟶ BaSO4S ⟶ SO2б) N2 ⟶ NH3 ⟶ NO ⟶ NO2 ⟶ HNO3 ⟶ NH4NO3 ⟶ NH3N2 ⟶ NOHNO3 ⟶ NOHNO3 ⟶ N2OУравнения реакций, если это возможно, составьте в полном и сокращённом ионном виде. Выберите два уравнения окислительно-восстановительных реакций и расставьте в них коэффициенты с помощью метода электронного баланса.
Решение
Ниже приводится один из приемлемых вариантов решения задачи. Заметим, что по условию необходимо записать последовательность превращений (с составлением полных уравнений реакций, а если возможно – их сокращённо–ионных форм), а также выделить два окислительно–восстановительных уравнения, для которых надо с помощью метода электронного баланса подобрать коэффициенты.
Общая идея состоит в том, чтобы воспроизвести промышленный цикл превращения серы (пункт (а)) и азота (пункт (б)). Представленный ниже вариант решения соответствует одному из стандартных подходов; если в учебном курсе обсуждаются иные варианты, они также могут считаться правильными.
─────────────────────────────
I. ПРЕВРАЩЕНИЯ СЕРЫ
─────────────────────────────
1) Образование пирита (FeS₂) из железа и элементарной серы
Полное уравнение:
Fe + 2 S → FeS₂
Это – реакция соединения, где железо (Fe) в металлическом состоянии (0) реагирует с S (0).
2) Обжиг пирита (FeS₂) с кислородом (роща «обжига–восстановление»)
Полное уравнение (такой вариант часто приводится в учебниках):
4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂
Комментарий. В этой реакции происходит одновременно окисление железа и серы.
• Для упрощённого расчёта: в FeS₂ железо имеет условную степень окисления +2, а сера – примерно –1 (действительно, в пирите имеет место дисульфидный анион S₂²⁻). При переходе в Fe₂O₃ железо становится +3, а в SO₂ сера переходит в степень +4.
Мы выделим это уравнение как первое окислительно–восстановительное. Применим метод электронного баланса ниже.
3) Окисление диоксида серы (SO₂) до триоксида серы (SO₃) – так называемый контактный процесс
Полное уравнение (с катализатором V₂O₅):
2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃
(Сокращённо–ионная форма не записывается, так как все реагенты – молекулярные газы.)
4) Образование серной кислоты (H₂SO₄) из SO₃
Полное уравнение:
SO₃ + H₂O → H₂SO₄
Комментарий. Иногда технологически используют растворённую серную кислоту (для получения озерной мази – элиминации SO₃ в H₂SO₄), но здесь допустимо писать именно такое уравнение.
5) Получение сульфата железа(III) – Fe₂(SO₄)₃
Обычно получают его реакцией оксида железа (Fe₂O₃) с серной кислотой.
Полное уравнение:
Fe₂O₃ + 3 H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 3 H₂O
Сокращённо–ионная форма (в кислой среде):
Fe₂O₃(s) + 6 H⁺(aq) + 3 SO₄²⁻(aq) → Fe₂(SO₄)₃(aq) + 3 H₂O(l)
6) Получение продукта «BaSO₄ S». Здесь записано в виде – одно вещество, содержащее сульфат бария и элементарную серу, что соответствует схеме восстановления сульфат–ионов с выделением S. Один из вариантов реакции такого рода выглядит следующим образом. (Заметим, что в технологии могут использоваться реакция осаждения сульфата бария при добавлении ионов Ba²⁺, а затем восстановление некоторой его доли до элементарной серы.)
Например, можно записать реакцию:
Fe₂(SO₄)₃ + 3 BaS → 3 BaSO₄↓ + 2 FeS
Здесь BaSO₄ выпадает в осадок (неводный, очень нерастворимый).
Сокращённо–ионная часть:
Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → BaSO₄(s)
7) Окисление выделившейся элементарной серы до диоксида серы
Полное уравнение:
S + O₂ → SO₂
Комментарий. Таким образом, в технологическом цикле часть SO₂, полученная на этом этапе, может быть направлена обратно на получение H₂SO₄.
─────────────────────────────
II. ПРЕВРАЩЕНИЯ АЗОТА
─────────────────────────────
1) Получение аммиака (NH₃) по синтезу Габера
Полное уравнение:
N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃
2) Окисление аммиака до оксида азота (NO) – первый этап процесса Оствальда
Полное уравнение:
4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O
Это – второе выбранное окислительно–восстановительное уравнение, для которого мы приведём электронный баланс ниже.
3) Окисление NO до диоксида азота (NO₂)
Полное уравнение:
2 NO + O₂ → 2 NO₂
4) Получение азотной кислоты (HNO₃) при абсорбции NO₂ в воде
Одним из известных вариантов является:
3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO
(Можно рассматривать как условную схему, поскольку в промышленности реакции протекают с участием катализаторов и в сложных смесях; сокращённо–ионной записи здесь не дают, так как речь идёт о нейтрализации газовой фазы водноликвидными растворами.)
5) Нейтрализация азотной кислоты аммиаком с образованием аммоний нитрата
Полное уравнение:
NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃
Сокращённо–ионная форма – здесь речь идёт о протонировании аммиака:
NH₃(aq) + H⁺(aq) → NH₄⁺(aq) (с NO₃⁻ остаётся «зрительским» ионом)
6) Термическое разложение аммоний нитрата с образованием закиси азота (N₂O)
Полное уравнение (при определённых условиях):
NH₄NO₃ → N₂O + 2 H₂O
Комментарий. В литературе встречаются и иные схемы превращения, а промежуточные стадии, записанные в условии как «NH₃N₂ ⟶ NOHNO₃ ⟶ NOHNO₃ ⟶ N₂O», могут быть интерпретированы по-разному. Здесь приведён один из стандартных вариантов.
─────────────────────────────
III. РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННОГО БАЛАНСА
─────────────────────────────
Мы выберем для этого два уравнения окислительно–восстановительных реакций.
─────────────────────────────
1) Уравнение обжига пирита:
4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂
Анализ изменений степеней окисления:
• Для железа:
– В FeS₂: Fe имеет степень ≈ +2.
– В Fe₂O₃: Fe имеет степень +3.
Изменение: каждый атом Fe теряет 1 электрон. В 4 FeS₂ – 4 атома Fe → 4 электронов отдано.
• Для серы:
– В FeS₂: «S₂» имеет суммарный заряд –2, то есть по среднему значению S = –1.
– В SO₂: S имеет степень +4.
Изменение: каждый атом S теряет 5 электронов (от –1 до +4).
Всего атомов S – 4 · 2 = 8, т.е. потеря 8 · 5 = 40 электронов.
Таким образом, суммарно отдано 4 + 40 = 44 электрона.
• Для кислорода:
– В O₂ кислород в степени 0, а в соединениях – в степени –2.
Каждый атом O восстанавливается, получая 2 электрона.
В 11 молекулах O₂ содержится 22 атома O, суммарное число принятых электронов равно 22 · 2 = 44.
Баланс электронов выполнен.
─────────────────────────────
2) Уравнение окисления аммиака:
4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O
Анализ изменений степеней окисления:
• Для азота:
– В NH₃: N имеет степень –3.
– В NO: N имеет степень +2.
Изменение: каждый атом N отдает (–3 → +2) 5 электронов.
При 4 атомах N суммарная потеря = 4 · 5 = 20 электронов.
• Для кислорода:
– В O₂: кислород в степени 0, в продуктах – в степени –2.
В 5 молекулах O₂ – 10 атомов O, каждый принимает 2 электрона, суммарно 10 · 2 = 20 электронов.
Баланс электронов выполнен.
─────────────────────────────
IV. КОММЕНТАРИЙ
─────────────────────────────
В приведённом решении для каждой стадии превращения записаны полные уравнения (с указанием агрегатного состояния, если это необходимо) и, там где возможно, сокращённо–ионные уравнения (например, для фазовых переходов в водном растворе или осаждения). Отметим, что последовательность в пункте (б) может быть предложена и в других вариантах, поскольку промежуточные стадии (обозначенные в условии как «NH₃N₂, NOHNO₃») не являются общепринятыми; здесь приведён вариант, соответствующий классической схеме Габера–Оствальда.
Таким образом, один из правильных ответов может быть записан именно так, как приведено выше.