Условие задачи
Составьте уравнения реакций, протекающих при нагревании угля: 1) с оксидом железа (III); 2) с оксидом олова (IV). Покажите переход электронов и подчеркните одной чертой окислитель, а двумя – восстановитель.
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи по неорганической (индустриальной) химии, где рассматриваются реакции восстановления оксидов металлов с участием углерода в условиях нагрева (т. е. реакций восстановления в доменных печах). В реакциях оксид (οкислитель) принимает электроны, а углерод (восстановитель) отдает электроны. Согласно условию, оксид следует подчеркнуть одной чертой, а углерод – двумя.
Мы будем использовать следующие обозначения с индексов:
• Fe₂O₃ – оксид железа(III)
• SnO₂ – оксид олова(IV)
• C – углерод
• CO – монооксид углерода
• Fe – металлическое железо
• Sn – металлическое олово
При нагревании угля с оксидами происходит восстановление металлов, а углерод окисляется до монооксида.
────────────────────────────
1) Реакция с оксидом железа(III)
Окислитель (принимает электроны): _Fe₂O₃_
Восстановитель (отдает электроны): __C__
Чтобы показать переход электронов, разложим реакцию на полу—реакции.
А. Полуреакция восстановления (окислитель получает электроны):
Каждый атом железа в Fe₂O₃ имеет степень окисления +3, и восстанавливается до элементарного железа (степень 0). Так как в формуле Fe₂O₃ содержится два атома железа, полуреакция выглядит так:
2 Fe^(+3) + 6 e⁻ → 2 Fe
Б. Полуреакция окисления (восстановитель отдает электроны):
Углерод переходит из степени 0 в CO (углерод в CO имеет степень окисления +2). При образовании одного моля CO углерод отдает 2 электрона:
C → CO + 2 e⁻
Чтобы число перенесённых электронов совпало (6 e⁻), необходимо умножить эту полуреакцию на 3:
3 C → 3 CO + 6 e⁻
Складывая полуреакции, получаем общую реакцию:
_Fe₂O₃_ + 3 __C__ → 2 Fe + 3 CO
Здесь видно, что 6 электронов, потерянных углеродом, приняты оксидом железа, что является явной демонстрацией переноса электронов.
────────────────────────────
2) Реакция с оксидом олова(IV)
Окислитель: _SnO₂_
Восстановитель: __C__
Аналогично разложим реакцию на полу—реакции.
А. Полуреакция восстановления оксида олова:
Олово в SnO₂ находится в степени окисления +4, и восстанавливается до металлического состояния (степень 0). Для одного атома олова:
Sn^(+4) + 4 e⁻ → Sn
Б. Полуреакция окисления углерода:
Как и ранее, углерод отдает 2 электрона при образовании CO:
C → CO + 2 e⁻
Чтобы уравнять число электронов (4 e⁻), умножим эту полуреакцию на 2:
2 C → 2 CO + 4 e⁻
Складывая полученные полуреакции, получаем общую реакцию:
_SnO₂_ + 2 __C__ → Sn + 2 CO
Здесь также наблюдается соответствие между количеством отданных и принятых электронов, что подтверждает корректность записи.
────────────────────────────
Таким образом, итоговые уравнения реакций с указанием окислителя (подчеркиваем одной чертой) и восстановителя (подчеркиваем двумя):
1) _Fe₂O₃_ + 3 __C__ → 2 Fe + 3 CO
Полуреакции:
Окислитель: 2 Fe^(+3) + 6 e⁻ → 2 Fe
Восстановитель: 3 __C__ → 3 CO + 6 e⁻
2) _SnO₂_ + 2 __C__ → Sn + 2 CO
Полуреакции:
Окислитель: Sn^(+4) + 4 e⁻ → Sn
Восстановитель: 2 __C__ → 2 CO + 4 e⁻
Эти уравнения отражают процессы переноса электронов: оксиды (подчеркнутые одной чертой) принимают электроны (восстанавливаются), а углерод (подчеркнутый двумя чертами) отдает электроны (окисляется).