Условие задачи
Составьте уравнения реакций, в результате которых можно получить железо из его оксидов Fe2O3 и Fe3O4, используя в качестве восстановителя: а) водород; б) алюминий; в) оксид углерода (II). Покажите переход электронов и укажите окислитель и восстановитель.
Решение
Ниже приводится подробное решение задачи, относящейся к неорганической химии (окислительно-восстановительные реакции). В ней для каждого случая составляются уравнения реакций восстановления железа из оксидов Fe₂O₃ и Fe₃O₄ с использованием восстановителей (водорода, алюминия, оксида углерода (II)). Показываются полу‐реакции (т.е. переход электронов) и выделяются окислитель и восстановитель.
──────────────────────────────
1. Восстановление оксидов железа с помощью водорода
А) Для оксида Fe₂O₃
Общее уравнение реакции:
Fe₂O₃ + 3 H₂ → 2 Fe + 3 H₂O
Пояснение по переходу электронов:
• В Fe₂O₃ атомы железа имеют степень окисления +3, их надо восстановить до 0.
• Полуреакция восстановления для железа:
Fe³⁺ + 3 e⁻ → Fe⁰
(для двух атомов: 2 Fe³⁺ + 6 e⁻ → 2 Fe)
• Водород окисляется:
H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻
Чтобы дать 6 e⁻, необходимо 3 молекулы H₂:
3 H₂ → 6 H⁺ + 6 e⁻
Таким образом, водород (H₂) является восстановителем, отдающим электроны, а оксид железа (Fe₂O₃) – окислителем, забирающим электроны.
Б) Для оксида Fe₃O₄
Общее уравнение реакции:
Fe₃O₄ + 4 H₂ → 3 Fe + 4 H₂O
Пояснение:
Оксид Fe₃O₄ имеет смешанное состояние железа (одна часть в степени +2, другая в степени +3), но для получения металлического железа все атомы сводятся к Fe⁰. Электронный баланс решается аналогично – суммарно реакция требует отдачи необходимого количества электронов от H₂. В данной уравнении 4 H₂ дают 8 электронов, что позволяет восстановить все атомы железа до нулевой степени.
Полуреакции можно условно записать так:
Для восстановления: суммарно (при усреднении) Fe^(8⁄3)+ + (8⁄3) e⁻ → Fe⁰ (с учётом стехиометрии для трёх атомов)
Окисление водорода: 4 H₂ → 8 H⁺ + 8 e⁻
Таким образом, восстановителем является H₂, а Fe₃O₄ – окислителем.
──────────────────────────────
2. Восстановление оксидов железа с помощью алюминия (алюминотермическая реакция)
А) Для оксида Fe₂O₃
Общий вид реакции:
Fe₂O₃ + 2 Al → 2 Fe + Al₂O₃
Пояснение по электронам:
• В Fe₂O₃ железо переходит из степени +3 в 0:
Fe³⁺ + 3 e⁻ → Fe⁰ (для двух атомов: суммарно 6 e⁻)
• Алюминий переходит из Al⁰ в Al³⁺, отдавая электроны:
Al → Al³⁺ + 3 e⁻ (при участии двух атомов Al: суммарно 6 e⁻)
Таким образом, алюминий является восстановителем (отдает электроны и сам окисляется), а оксид железа – окислителем.
Б) Для оксида Fe₃O₄
Общее уравнение реакции:
3 Fe₃O₄ + 8 Al → 9 Fe + 4 Al₂O₃
Проверка стехиометрии:
• Лев. часть: железо – 3×3 = 9 атомов; кислород – 3×4 = 12.
• Прав. часть: железо – 9 атомов; кислород – 4×3 = 12.
Полуреакции:
Для железа: суммарно атомы Fe переходят из положительных степеней в 0.
Алюминий: 8 Al → 8 Al³⁺ + 24 e⁻
Для восстановления Fe (среднее число электронов на атом можно рассчитать исходя из баланса кислорода и зарядов)
Таким образом алюминий – восстановитель, Fe₃O₄ – окислитель.
──────────────────────────────
3. Восстановление оксидов железа с помощью оксида углерода (II) (CO)
А) Для оксида Fe₂O₃
Общее уравнение реакции:
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂
Пояснение по электронной схеме:
• Fe³⁺ восстанавливается до Fe⁰ (каждый атом Fe принимает 3 e⁻).
• CO окисляется до CO₂. При этом оксид углерода (II) отдает электроны. Формально можно записать:
CO + H₂O → CO₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ (если проводить реакцию в кислой среде) или рассматривать как перенос электронов в общей схеме.
В данной реакции CO является восстановителем, отдающим электроны, а Fe₂O₃ – окислителем.
Б) Для оксида Fe₃O₄
Общее уравнение реакции:
Fe₃O₄ + 4 CO → 3 Fe + 4 CO₂
Пояснение:
• Аналогичным образом электронный перенос происходит от CO к оксиду железа.
• В этой реакции CO – восстановитель, а Fe₃O₄ – окислитель.
──────────────────────────────
Выводы по каждому пункту:
1. При использовании водорода:
Fe₂O₃ + 3 H₂ → 2 Fe + 3 H₂O
Fe₃O₄ + 4 H₂ → 3 Fe + 4 H₂O
• Водород (H₂) отдает электроны (окисляется до H⁺), является восстановителем,
• Оксиды железа принимают электроны (восстанавливаются до Fe⁰) и являются окислителями.
2. При использовании алюминия:
Fe₂O₃ + 2 Al → 2 Fe + Al₂O₃
3 Fe₃O₄ + 8 Al → 9 Fe + 4 Al₂O₃
• Алюминий (Al) отдает электроны (окисляется до Al³⁺), является восстановителем,
• Оксиды железа – окислители.
3. При использовании оксида углерода (CO):
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂
Fe₃O₄ + 4 CO → 3 Fe + 4 CO₂
• CO отдает электроны (окисляется до CO₂) и является восстановителем,
• Оксиды железа – окислители.
──────────────────────────────
Показывая переход электронов (на примере реакции с алюминием для Fe₂O₃):
Полуреакция восстановления железа:
2 Fe³⁺ + 6 e⁻ → 2 Fe⁰
Полуреакция окисления алюминия:
2 Al⁰ → 2 Al³⁺ + 6 e⁻
Суммируя, получаем:
Fe₂O₃ + 2 Al → 2 Fe + Al₂O₃
Аналогичный принцип применяется и к другим реакциям – везде электроны передаются от восстановителя (H₂, Al, или CO), который окисляется, к оксиду железа, который восстанавливается до металлического состояния.
──────────────────────────────
Таким образом, используя принципы окислительно-восстановительных процессов, мы записали уравнения реакций для получения железа из оксидов Fe₂O₃ и Fe₃O₄ с тремя различными восстановителями, указали, какие вещества отдают электроны (восстановители) и какие принимают (окислители), а также продемонстрировали схему перехода электронов через полу‐реакции.