Условие задачи
Составьте уравнение реакции, схема которой
Са + H2S04(конц) = CaS04 + H2S + … .
Рассмотрите реакцию с точки зрения ОВР
Решение
Ниже приводится подробное решение задачи по химии (окислительно-восстановительная реакция, ОВР).
Задача требует составить уравнение реакции, в которой металл кальций (Ca) реагирует с концентрированной серной кислотой (H₂SO₄), образуя сульфат кальция (CaSO₄), сульфводород (H₂S) и воду. При этом нужно рассмотреть реакцию с точки зрения ОВР, то есть выделить половинные реакции окисления и восстановления.
──────────────────────────────
1. Анализ задачи и общий смысл реакции
Известно, что большинство металлов, особенно активных (например, кальций), могут реагировать с серной кислотой по двум схемам:
– При разбавленной кислоте происходит реакция обмена с выделением водорода (H₂);
– При концентрированной серной кислоте кислота дополнительно действует окисляюще, и проточный водород не выделяется, а происходит восстановление S(VI) до S(–II) с образованием H₂S.
При данном условии реакция имеет вид:
Ca + H₂SO₄ (конц.) → CaSO₄ + H₂S + …
Необходимо определить стехиометрию так, чтобы сохранился баланс атомов и зарядов, а также электронов в половинных реакциях.
──────────────────────────────
2. Постановка окислительно-восстановительного характера реакции
Мы видим, что:
• Кальций (Ca) превращается из металлического состояния (0) в ион Ca²⁺ (окислительное число +2) – процесс окисления.
• Сера в H₂SO₄ находится в степени окисления +6, а в H₂S – в степени –2. Таким образом, сера принимает 8 электронов (проходит восстановление).
Поскольку один атом кальция, отдавая 2 электрона, не может обеспечить восстановление одного атома серы (8 электронов нужно принять), необходимо найти такое соотношение, при котором суммарное число электронов, отдаваемых металлом, совпадёт с числом, необходимых для восстановления атома серы.
──────────────────────────────
3. Запись половинных реакций и балансировка электронов
Окисление кальция:
Ca → Ca²⁺ + 2e⁻ (1)
Восстановление сульфата до H₂S. Стандартная полуравнение в кислой среде выглядит так:
SO₄²⁻ + 10H⁺ + 8e⁻ → H₂S + 4H₂O (2)
Чтобы компенсировать 8 электронов, нужно 4 атома кальция, так как 4∙2e⁻ = 8e⁻.
Таким образом, окислительная половина для 4 Ca:
4 Ca → 4 Ca²⁺ + 8e⁻ (1′)
Соединяя (1′) и (2), получаем электронейтральное соотношение. При этом важно учесть, что не вся серная кислота подвергается восстановлению. Часть её образует сульфат, который связывается с образовавшимися ионами Ca²⁺ в нерастворимый CaSO₄.
Предположим, что на 4 атома Ca приходится 5 молекул H₂SO₄:
– 4 из них дают SO₄²⁻ для осаждения CaSO₄,
– 1 молекула H₂SO₄ (точнее, её сульфатный комплекс) участвует в восстановлении по схеме (2).
──────────────────────────────
4. Балансировка полного уравнения
Запишем схематично:
4 Ca + 5 H₂SO₄ (конц.) → 4 CaSO₄ + H₂S + ? H₂O
Проверим атомный баланс:
• Ca: слева 4, справа 4 (в CaSO₄).
• S: в 5 H₂SO₄ – 5 S; справа – 4 S в CaSO₄ плюс 1 S в H₂S, итого 5.
• H: слева 5∙2 = 10; справа H₂S содержит 2 H, оставшиеся должны прийти в воду. Пусть число молекул H₂O равно x, тогда 2x + 2 = 10, откуда x = 4.
• O: слева 5∙4 = 20; справа 4 CaSO₄ содержат 4∙4 = 16 O, а 4 H₂O дают 4, всего 16+4 = 20.
Таким образом, полное уравнение реакции:
4 Ca + 5 H₂SO₄ (конц.) → 4 CaSO₄ + H₂S + 4 H₂O
──────────────────────────────
5. Интерпретация с точки зрения ОВР
Разложим реакцию на половинные:
Окислительная половина (для 4 Ca):
4 Ca → 4 Ca²⁺ + 8e⁻
Восстановительная половина (для 1 SO₄²⁻ из H₂SO₄):
SO₄²⁻ + 10 H⁺ + 8e⁻ → H₂S + 4 H₂O
Заметим, что 4 Ca, отдавая 8 электронов, полностью снижают один атом серы из H₂SO₄ (переводя его из +6 в –2). Остальные 4 молекулы H₂SO₄ не претерпевают изменений по степени окисления и выступают в роли кислотного реагента, образуя нерастворимый сульфат кальция CaSO₄ путём нейтрализации Ca²⁺.
Таким образом, при данной реакции концентрированная серная кислота выступает одновременно как источник SO₄²⁻ (для образования нерастворимого CaSO₄) и как окислитель, который восстанавливается до H₂S. При этом вода образуется как продукт нейтрализации образующихся H⁺ и как часть восстановления.
──────────────────────────────
6. Итоговый ответ
Полное уравнение реакции с указанием стехиометрии и рассмотрением ОВР выглядит так:
4 Ca + 5 H₂SO₄ (конц.) → 4 CaSO₄ + H₂S + 4 H₂O
Половинные реакции:
Окисление: 4 Ca → 4 Ca²⁺ + 8e⁻
Восстановление: SO₄²⁻ + 10 H⁺ + 8e⁻ → H₂S + 4 H₂O
Таким образом, соотношение электронов соблюдается, а баланс атомов и зарядов – выполнен. Это и есть ОВР для данной реакции.
──────────────────────────────
Ответ:
4 Ca + 5 H₂SO₄ (конц.) → 4 CaSO₄ + H₂S + 4 H₂O
Это и является подробным решением задачи с рассмотрением реакции с точки зрения окислительно-восстановительного процесса.