Условие задачи
Составьте электронно-ионные уравнения реакций, происходящих при взаимодействии меди с концентрированной серной кислотой. Напишите сокращенное ионное уравнение реакции
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи по неорганической химии (раздел: окислительно-восстановительные реакции), с использованием методики «ион-электронного метода».
──────────────────────────────
1. Исходная реакция
При взаимодействии меди с концентрированной серной кислотой происходит реакция, в ходе которой медь окисляется, а часть серной кислоты восстанавливается с образованием диоксида серы. Обычно реакцию записывают в виде молекулярного уравнения:
Cu(т) + 2 H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂(г) + 2 H₂O
При этом одна H₂SO₄ превращается в сульфат меди, а вторая участвует в восстановлении с образованием SO₂ и воды.
──────────────────────────────
2. Разбиение на полуреакции (электронно-ионный метод)
Нам необходимо составить две полуреакции – окисления и восстановления, учитывая, что процесс идёт в кислой среде.
А. Полуреакция окисления меди
Медь окисляется до иона меди(II):
Cu(т) → Cu²⁺ + 2 e⁻
Б. Полуреакция восстановления сульфатной части (в кислой среде)
Сульфур в H₂SO₄ (степень окисления +6) восстанавливается до SO₂ (степень окисления +4). Обычно при восстановлении сульфатного иона используют следующую схему в кислой среде. Чтобы записать её в ионной форме, воспользуемся комплексным учётом протонов:
Начинаем с написания вида иона сульфата, если H₂SO₄ диссоциирует (но так как кислота концентрированная, можно принять H₂SO₄ как источник как SO₄²⁻, так и дополнительных протонов). Стандартная полуреакция для восстановления SO₄²⁻ до SO₂ выглядит так:
SO₄²⁻ + 4 H⁺ + 2 e⁻ → SO₂(г) + 2 H₂O
Проверка баланса:
• Сера: 1 с каждой стороны.
• Кислород: слева 4, справа 2 (в SO₂) + 2 (в 2 H₂O) = 4.
• Водород: слева 4, справа 2×2 = 4.
• Заряд: слева (–2 + 4 = +2) и с учётом 2 e⁻ (+2 – 2 = 0), справа 0.
Баланс выполнен.
──────────────────────────────
3. Составление суммарного уравнения (элекронно-ионное уравнение)
Чтобы сложить полуреакции, необходимо, чтобы число электронов, теряемых в реакции окисления, совпадало с числом электронов, приобретаемых в реакции восстановления. Здесь обе полуреакции сопряжены обменом 2 e⁻, поэтому сложим их без умножения:
Окисление:
Cu(т) → Cu²⁺ + 2 e⁻
Восстановление:
SO₄²⁻ + 4 H⁺ + 2 e⁻ → SO₂(г) + 2 H₂O
Складывая, получаем:
Cu(т) + SO₄²⁻ + 4 H⁺ → Cu²⁺ + SO₂(г) + 2 H₂O
Это и есть полное электронно-ионное уравнение процесса, отражающее суть окислительно-восстановительного взаимодействия.
──────────────────────────────
4. Сокращённое ионное уравнение
Сокращённое (чистое) ионное уравнение отражает именно те виды, в которых происходят изменения окислительного состояния и не содержатся зрительные «зрители». В исходной реакции, если рассматривать диссоциацию CuSO₄ на ионы, можно записать:
Cu(т) + SO₄²⁻ + 4 H⁺ → Cu²⁺ + SO₂(г) + 2 H₂O
Это уравнение уже является сокращённым ионным уравнением для данной реакции, поскольку в нём выражены только активные для окислительно-восстановительного перехода части.
──────────────────────────────
5. Итог
Дисциплина – неорганическая химия (окислительно-восстановительные реакции).
Ответ включает:
1) Полуокислительная (анодная) реакция:
Cu(т) → Cu²⁺ + 2 e⁻
2) Полуреакция восстановления (катодная):
SO₄²⁻ + 4 H⁺ + 2 e⁻ → SO₂(г) + 2 H₂O
3) Сокращённое ионное уравнение:
Cu(т) + SO₄²⁻ + 4 H⁺ → Cu²⁺ + SO₂(г) + 2 H₂O
Таким образом, решение полностью соответствует правилам окислительно-восстановительных процессов в кислой среде с использованием электронно-ионного метода.