Условие задачи
Составьте уравнения реакций, в которых алюминий восстанавливает: а) галогены; б) железо; в) ионы водорода; г) серу; д) кислород. Покажите переход электронов.
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи по неорганической химии (реакции окисления–восстановления), в которых алюминий действует как восстановитель, передавая свои электроны другим веществам. В решениях приведены полуреакции, показывающие потерю электронов атомом алюминия и присоединение электронов атомами или ионами окисляемых веществ.
─────────────────────────────
1. Основные моменты:
Алюминий (Al) легко окисляется, теряя 3 электрона согласно полуреакции:
Al → Al³⁺ + 3e⁻ (окисление)
Чтобы уравнять обмен электронов, подбираются такие коэффициенты, чтобы суммарное число потерянных и приобретённых электронов совпало.
При восстановлении другой части реакции её элемент принимает электроны и переходит в более низкую степень окисления.
─────────────────────────────
2. Решение по пунктам:
а) Восстановление галогенов (например, хлора). В реакциях алюминий восстанавливает двухатомную молекулу галогена X₂ (например, Cl₂) до ионов X⁻ с последующим образованием соли – алюминия тригалоида.
Полуреакции:
– Окисление Al: Al → Al³⁺ + 3e⁻
– Восстановление X₂: X₂ + 2e⁻ → 2X⁻
Чтобы компенсировать электроны, нужно найти НОК для 3 и 2. Для 2Al (2×3 = 6 электронов) потребуется 3 молекулы X₂ (3×2 = 6 электронов).
Объединённое уравнение:
2Al + 3X₂ → 2AlX₃
Пример (при X = Cl):
2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃
─────────────────────────────
б) Восстановление железа. Известна реакция термита, где алюминий восстанавливает железо(III) из оксида железа (Fe₂O₃) до металлического железа.
Полуреакции:
– Окисление Al: Al → Al³⁺ + 3e⁻
– Восстановление Fe³⁺ (в составе Fe₂O₃): Fe³⁺ + 3e⁻ → Fe
В оксиде Fe₂O₃ два атома железа находятся в степени окисления +3; чтобы передать 2×3 = 6 электронов, необходимо 2Al (2×3 = 6).
Объединённое уравнение:
2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe
─────────────────────────────
в) Восстановление ионов водорода (H⁺). Алюминий может восстанавливать ионы водорода до молекулярного водорода.
Полуреакции:
– Окисление Al: Al → Al³⁺ + 3e⁻
– Восстановление H⁺: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂
Чтобы уравнять электроны, для 2Al имеем 6 электронов, а для образования 3H₂ потребуется 3×2 = 6 электронов.
Объединённое уравнение в ионной форме:
2Al + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3H₂
Если реакция проходит в присутствии хлоридов (например, при взаимодействии с HCl), то полное уравнение будет:
2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂
─────────────────────────────
г) Восстановление серы. В данном случае серой выступает элемент, который в соединении приобретает отрицательную степень окисления – сульфид. Алюминий восстанавливает элементную серу (S⁰) до иона S²⁻, образуя сульфид алюминия.
Полуреакции:
– Окисление Al: Al → Al³⁺ + 3e⁻
– Восстановление S⁰: S + 2e⁻ → S²⁻
Чтобы получить целое число электронов, подбираем коэффициенты: для 2Al теряем 6e⁻; для 3S необходимо принять 3×2 = 6e⁻.
Объединённое уравнение:
2Al + 3S → Al₂S₃
─────────────────────────────
д) Восстановление кислорода. Алюминий восстанавливает кислород из молекулярного O₂ до оксид-ионов O²⁻ с последующим образованием оксида алюминия.
Полуреакции:
– Окисление Al: Al → Al³⁺ + 3e⁻
– Восстановление O₂: O₂ + 4e⁻ → 2O²⁻
Чтобы уравнять количество электронов, подбираем такие коэффициенты: если взять 4Al, то они дадут 4×3 = 12e⁻; для 3O₂, каждая молекула O₂ принимает 4e⁻, то есть 3×4 = 12e⁻.
Объединённое уравнение:
4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃
─────────────────────────────
3. Итоговые уравнения реакций с показом передачи электронов:
а) Галогены:
Окисление: Al → Al³⁺ + 3e⁻
Восстановление: X₂ + 2e⁻ → 2X⁻
Общее: 2Al + 3X₂ → 2AlX₃
(например, 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃)
б) Железо (термит):
Окисление: 2Al → 2Al³⁺ + 6e⁻
Восстановление: Fe₂O₃ (Fe³⁺) + 6e⁻ → 2Fe
Общее: 2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe
в) Ионы водорода:
Окисление: 2Al → 2Al³⁺ + 6e⁻
Восстановление: 6H⁺ + 6e⁻ → 3H₂
Общее: 2Al + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3H₂
(или в присутствии хлоридов: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂)
г) Сера:
Окисление: 2Al → 2Al³⁺ + 6e⁻
Восстановление: 3S + 6e⁻ → 3S²⁻
Общее: 2Al + 3S → Al₂S₃
д) Кислород:
Окисление: 4Al → 4Al³⁺ + 12e⁻
Восстановление: 3O₂ + 12e⁻ → 6O²⁻
Общее: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃
─────────────────────────────
Вывод:
Данные уравнения реакций демонстрируют, как алюминий, теряя электроны (окисляясь), восстанавливает различные вещества – галогены, оксид железа, ионы водорода, элементную серу и кислород – приводя к образованию соответствующих соединений (тригалоида, железа, сульфида и оксида алюминия).