Условие задачи

Составьте электронные и молекулярные уравнения реакций цинка: а) с раствором гидроксида натрия; б) с концентрированной серной кислотой, учитывая восстановление серы до нулевой степени окисления.

Решение

Ниже приведён подробный разбор задачи по неорганической химии (окислительно-восстановительные процессы, амфотерное поведение металлов) с составлением электронных (полу)–уравнений и молекулярных уравнений реакций цинка в двух описанных случаях. При этом все формулы записаны с использованием символов Unicode вместо формата LaTeX.

─────────────────────────────
1. Реакция цинка с раствором гидроксида натрия

А) Исходные сведения и особенности реакции

Цинк (Zn) является амфотерным металлом, то есть его оксид или гидроксид может как реагировать с кислотами, так и с основаниями при наличии избытка OH⁻. При взаимодействии с раствором гидроксида натрия происходит образование комплексного иона «цинкат», который можно записать как тетраоксогидрокоординатный ион [Zn(OH)₄]²⁻. Молекулярное уравнение для данного процесса обычно записывают так:

Zn(ₛ) + 2 NaOH(аq) + 2 H₂O(ₗ) → Na₂[Zn(OH)₄](аq)

В этой реакции изменение степени окисления цинка отсутствует, электронный перенос не происходит (реакция не является окислительно-восстановительной). Поэтому нет смысла составлять полу–электронное уравнение в классическом понимании; можно, однако, отметить, что в данном процессе электроны не «участвуют» в переносе.

Если же рассматривать процесс в два этапа, то сначала может образоваться нерастворимый гидроксид цинка:

Zn(ₛ) + 2 OH⁻(аq) → Zn(OH)₂(ₛ)

а затем в избытке OH⁻ гидроксид превращается в растворимый комплекс:

Zn(OH)₂(ₛ) + 2 OH⁻(аq) → [Zn(OH)₄]²⁻(аq)

Но поскольку исходная запись даёт суммарное уравнение, окончательно получаем вышеуказанное.

Таким образом, для (а) получаем:

Молекулярное уравнение:
Zn(ₛ) + 2 NaOH(аq) + 2 H₂O(ₗ) → Na₂[Zn(OH)₄](аq)

Электронное (окислительно-восстановительное) уравнение не составляется, так как окисление цинка (Zn → Zn²⁺) не сопровождается изменением видимых степеней окисления в данном комплексе – процесс носит характер комплексообразования, а не окислительно-восстановительный.

─────────────────────────────
2. Реакция цинка с концентрированной серной кислотой (при восстановлении серы до степени 0)

Б) Исходные сведения

При взаимодействии цинка с разбавленной серной кислотой происходит типичная кислотно–металлическая реакция с выделением водорода:
Zn(ₛ) + H₂SO₄(аq) → ZnSO₄(аq) + H₂(г)
Однако при использовании концентрированной серной кислоты действует её окислительная способность, вследствие чего сульфат‑ион (сера с окислительным числом +6) восстанавливается до элементарной серы (окисл. число 0). Для составления уравнения используют метод полу–реакций.

Ниже приведём последовательность составления уравнений.

─────────────────────────────
Шаг 1. Полу–реакция окисления цинка

Цинк переходит из металлического состояния (степень окисления 0) в положение Zn²⁺, отдавая 2 электрона:
Zn(ₛ) → Zn²⁺ + 2 e⁻

Чтобы по числу электронов уравнять с реакцией восстановления, для 3 атомов цинка умножим на 3:
3 Zn(ₛ) → 3 Zn²⁺ + 6 e⁻

─────────────────────────────
Шаг 2. Полу–реакция восстановления сульфат‑иона до элементарной серы

Исходный сульфат‑ион SO₄²⁻ содержит серу с окислительным числом +6, а в виде элементарной серы S(ₛ) степень окисления 0. Для восстановления надо добавить протоны (H⁺) и воду для балансировки кислорода. Запишем предварительно неуравненное уравнение восстановления:

SO₄²⁻ → S(ₛ)

Для балансировки добавляем H⁺ и H₂O. Баланс по кислороду: в SO₄²⁻ 4 кислорода, их можно распределить как 4 молекулы воды в правой части, затем балансируем водород, добавляя 8 H⁺ в левую часть. Получим:

SO₄²⁻ + 8 H⁺ + ? e⁻ → S(ₛ) + 4 H₂O

Определим число электронов. Заряды: левая сторона имеет суммарный заряд (–2 + 8) = +6, а правая – 0. Чтобы компенсировать избыток +6, необходимо добавить 6 e⁻ к левой стороне:

SO₄²⁻ + 8 H⁺ + 6 e⁻ → S(ₛ) + 4 H₂O

─────────────────────────────
Шаг 3. Суммирование полу–реакций

Окисление:
3 Zn(ₛ) → 3 Zn²⁺ + 6 e⁻
Восстановление:
SO₄²⁻ + 8 H⁺ + 6 e⁻ → S(ₛ) + 4 H₂O

При сложении электроны сокращаются, получаем:

3 Zn(ₛ) + SO₄²⁻ + 8 H⁺ → 3 Zn²⁺ + S(ₛ) + 4 H₂O

─────────────────────────────
Шаг 4. Приведение к молекулярному уравнению

Концентрированная H₂SO₄ является источником как ионов H⁺, так и SO₄²⁻. В суммарном уравнении один сульфат идёт на восстановление, а остальные ионы с Zn²⁺ образуют сульфат цинка (ZnSO₄). Так как в левой части у нас участвует 8 H⁺, а один молекула H₂SO₄ даёт 2 H⁺, общее число молекул кислоты должно быть 4. При этом 4 H₂SO₄ содержат 4 SO₄²⁻ – один из них участвует в восстановлении, а оставшиеся 3 связываются с 3 Zn²⁺ с образованием 3 ZnSO₄.

Таким образом, итоговое молекулярное уравнение имеет вид:

3 Zn(ₛ) + 4 H₂SO₄(конц.) → 3 ZnSO₄ + S(ₛ) + 4 H₂O(ₗ)

Проверка балансировки:
• Цинк: 3 с обеих сторон.
• Сера: 4 атома с левой стороны (4 H₂SO₄) = 3 в ZnSO₄ + 1 в S(ₛ).
• Кислород: 4×4 = 16 O слева, справа 3×4 = 12 O в ZnSO₄ и 4 O в 4 H₂O, всего 16.
• Водород: 4×2 = 8 H слева, 4×2 = 8 H в воде.
• Заряды в полу–реакциях уравнены.

─────────────────────────────
Ответ

(а) Реакция цинка с раствором гидроксида натрия (образование цинката):

Молекулярное уравнение:
Zn(ₛ) + 2 NaOH(аq) + 2 H₂O(ₗ) → Na₂[Zn(OH)₄](аq)

Поскольку процесс носит характер комплексообразования (без изменения степеней окисления), отдельное электронное (окислительно‑восстановительное) уравнение составлять не требуется.

(б) Реакция цинка с концентрированной серной кислотой (в условиях, когда сера восстанавливается до S(ₛ)):

Полу–реакции:
Окисление:
3 Zn(ₛ) → 3 Zn²⁺ + 6 e⁻
Восстановление:
SO₄²⁻ + 8 H⁺ + 6 e⁻ → S(ₛ) + 4 H₂O(ₗ)

Суммарное и молекулярное уравнение (при использовании 4 молекул H₂SO₄):
3 Zn(ₛ) + 4 H₂SO₄(конц.) → 3 ZnSO₄ + S(ₛ) + 4 H₂O(ₗ)

─────────────────────────────
Таким образом, для заданных реакций составлены и электронные (в случае (б)) и молекулярные уравнения с учётом особенностей окислительно‑восстановительных процессов.