Условие задачи

Способен ли водород при взаимодействии с раствором серной кислоты восстановить каждый металл ряда: Fe, Mn, Cr? Ответ подтвердите уравнениями реакций.

Решение

Мы решаем задачу с точки зрения неорганической электрохимии, анализируя редокс-потенциалы соответствующих полуреакций. При окислении металла с выделением водорода в растворе серной кислоты протекают реакции по схеме

Металл (M) + n H⁺ → Mⁿ⁺ + (n/2) H₂

то есть металл, находящийся выше водорода в активности, способен отдать электроны, а протоны H⁺ восстановиться до H₂. Обратный процесс – восстановление ионов металлов водородом – возможен термодинамически только тогда, когда водород (как восстановитель) сильнее, чем H⁺, то есть когда стандартный потенциал восстановления пары Мⁿ⁺/M выше (менее отрицательный), чем 0,00 В (потенциал водородного электрода). Рассмотрим стандартные потенциалы (при электродном процесссе редукции):

Fe²⁺ + 2 e⁻ → Fe E° ≈ –0,44 В
Cr³⁺ + 3 e⁻ → Cr E° ≈ –0,74 В
Mn²⁺ + 2 e⁻ → Mn E° ≈ –1,18 В
2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂ E° = 0,00 В

Чтобы водород (при его окислении) мог восстановить ион металла, рассматриваем процесс

Mⁿ⁺ + n e⁻ → M (редукция металла)
H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻ (окисление водорода)

Общий электродный потенциал реакции (считая по схеме: E₍элем₎ = E°(редукции металла) – E°(редукции водорода)) равен, например, для железа:

ΔE° = E°(Fe²⁺/Fe) – E°(2 H⁺/H₂) = (–0,44 В – 0,00 В) = –0,44 В.

Аналогично получаем для Cr и Mn:
Для Cr: ΔE° = –0,74 В,
Для Mn: ΔE° = –1,18 В.

Отрицательное значение ΔE° означает, что реакция восстановления ионов металлов водородом является термодинамически невыгодной. Другими словами, водород является слишком «слабым» восстановителем, чтобы восстановить каждый из этих металлов из их солей, поскольку только восстановление с положительным электродным потенциалом будет протекать самостоятельно.

Можно записать предполагаемые (но не самопроизвольные) реакции:

1. Для железа:
Fe²⁺ + H₂ → Fe + 2 H⁺

2. Для хрома:
Cr³⁺ + (3/2) H₂ → Cr + 3 H⁺

3. Для марганца:
Mn²⁺ + H₂ → Mn + 2 H⁺

Поскольку все величины ΔE° отрицательны, водород, выделяющийся при взаимодействии серной кислоты с металлами, не обладает достаточной восстановительной силой для восстановления ионов Fe²⁺, Cr³⁺ или Mn²⁺ обратно до металлического состояния.

Ответ: Водород не способен восстановить каждый из этих металлов из соответствующих солей при взаимодействии с раствором серной кислоты, что подтверждается отрицательными значениями ΔE° для всех приведённых реакций.