Условие задачи

Составьте уравнения реакций между углеродом и следующими оксидами: а) оксид железа (III); б) оксид вольфрама (VI); в) оксид свинца (IV). Укажите окислитель и восстановитель.

Решение

Нам дано задание по неорганической химии, в частности, по составлению и балансу уравнений окислительно‑восстановительных реакций. Здесь требуется написать уравнения реакций углерода с оксидами металлов, определить в каждой реакции, какой реагент получает электроны (окислитель) и какой отдаёт электроны (восстановитель).

Ниже представлено подробное решение для каждого пункта с использованием символов Unicode вместо LaTeX.

─────────────────────────────
1. Уголовная сторона реакции: углерод при реакции с оксидами металлов окисляется, т.е. его атом переходит из состояния 0 в соединение (напр., в угарный газ, где степень окисления углерода равна +2). При этом металлический оксид получает электроны, и металл переходит в металлическую форму — происходит восстановление. Таким образом:

• Восстановитель – углерод (C), так как он отдает электроны;
• Окислитель – оксид металла, так как содержащийся в нём металл переходит из высокой степени окисления в 0.

─────────────────────────────
2. Рассмотрим конкретные реакции.

А) Оксид железа(III) – это Fe₂O₃, в котором железо имеет степень окисления +3. При взаимодействии с углеродом происходит восстановление железа до металлического состояния (Fe с 0). Балансируя реакцию, получаем:

Fe₂O₃ + 3 C → 2 Fe + 3 CO

Пояснения:
– В левой части: 2 атома железа, 3 кислорода и 3 атома углерода.
– В правой части: 2 атома железа, 3 группы CO (в каждой по 1 углероду и 1 кислороду).
– Окислитель здесь – Fe₂O₃ (в частности, ионы Fe с +3), а углерод – восстановитель.

Б) Оксид вольфрама(VI) – это WO₃, где вольфрам находится в степени окисления +6. При реакции с углеродом вольфрам восстанавливается до металлического W (с 0). Аналогично получаем:

WO₃ + 3 C → W + 3 CO

Пояснения:
– 1 атом вольфрама и 3 кислорода с одной стороны; 3 углерода, превращаясь в 3 части CO, переносят кислородные атомы.
– В данном случае оксид WO₃ действует как окислитель, а углерод – как восстановитель.

В) Оксид свинца(IV) – это PbO₂, в котором свинец имеет степень окисления +4. При взаимодействии с углеродом свинец восстанавливается до металлического Pb (с 0). Электронный обмен требует, чтобы 1 атом свинца получил 4 электрона. При окислении углерода до CO (углерод переходит из 0 в +2) каждый атом С отдает 2 электрона. Таким образом, для полного восстановления PbO₂ необходимо 2 атома углерода. Итоговое уравнение имеет вид:

PbO₂ + 2 C → Pb + 2 CO

Пояснения:
– На каждой стороне: 1 атом свинца, 2 атома кислорода (в 2 CO) и 2 атома углерода.
– Окислитель – PbO₂ (ион свинца с +4), восстановитель – углерод.

─────────────────────────────
Краткий итог:

А) Fe₂O₃ + 3 C → 2 Fe + 3 CO
Окислитель: Fe₂O₃ (Fe в +3), восстановитель: C.

Б) WO₃ + 3 C → W + 3 CO
Окислитель: WO₃ (W в +6), восстановитель: C.

В) PbO₂ + 2 C → Pb + 2 CO
Окислитель: PbO₂ (Pb в +4), восстановитель: C.

Таким образом, во всех этих реакциях углерод (C) окисляется до угарного газа (CO), а металлы в оксидах переходят из высоких степеней окисления в нулевую степень, что свидетельствует о восстановлении.

Это и есть подробное решение задачи согласно правилам неорганической химии.