Условие задачи
Укажите, в какой из реакций сера выполняет роль восстановителя, а в какой – окислителя:а) S + Al ⟶ Al2O3; б) S + HNO3 ⟶ SO2 + NO2 + H2O.Составьте уравнения реакций, используя метод электронного баланса.
Решение
Ниже приведён подробный разбор задачи, в которой надо определить, при каких реакциях сера ведёт себя как окислитель (принимает электроны, то есть её химический заряд уменьшается), а при каких – как восстановитель (отдаёт электроны, её заряд возрастает), и составить уравнения реакций по методу электронного баланса.
Важно отметить, что в классических задачах подобного типа часто сравнивают реакции, где сера, входящая в состав элемента S₍₀₎, превращается либо в сульфид (заряд –2), либо в соединения с более высокими степенями окисления (например, SO₂, где S имеет +4). Таким образом, если сера переходит из нулевого состояния в отрицательное (0 → –2), то она приобретает электроны, то есть выступает как окислитель; если же наоборот – из 0 в положительное (0 → +4), то она отдает электроны и действует как восстановитель.
В данной задаче реакция (а) записана так:
S + Al ⟶ Al₂O₃
а реакция (б):
S + HNO₃ ⟶ SO₂ + NO₂ + H₂O
Чтобы по изменению степеней окисления понять роль серы, следует выяснить, какие вещества содержат серу в исходном и конечном состояниях. При этом часто в подобных задачах подразумевают, что реакции проходят в кислой среде или “при участии внешнего окислителя/восстановителя” так, что можно рассматривать две разные схемы превращения серы. Обычно в литературе используют следующие варианты:
─────────────────────────────
Вариант 1. Если принять, что в реакции (а) конечный компонент, содержащий алюминий, – это сульфид алюминия, а не оксид, то справедливо следующее соотношение:
2Al + 3S ⟶ Al₂S₃
При этом степень окисления серы изменяется:
S(0) ⟶ S²⁻ (–2)
То есть сера приобретает электроны – в ней происходит восстановление, а значит она действует как окислитель.
Рассмотрим баланс электронов для (а):
1. Окислительный полуреакция для алюминия:
2Al ⟶ 2Al³⁺ + 6e⁻
2. Восстановительная полуреакция для серы:
3S + 6e⁻ ⟶ 3S²⁻
Суммируя, получаем уравнение:
2Al + 3S ⟶ Al₂S₃
Таким образом, в реакции (а) сера переходит из нулевой степени окисления в степень –2, то есть она принимает электроны и выступает как окислитель.
─────────────────────────────
Вариант 2. Если же строго следовать условию задачи, в котором записан продукт с алюминием – оксид (Al₂O₃), то для образования оксида необходим источник кислорода (например, из воздуха). Тогда обычно полное уравнение складывают как реакцию сжигания серы в присутствии алюминия, дающее одновременно оксид алюминия и оксид серы. Один из вариантов записи выглядит так (после умножения для целых коэффициентов):
3S + 2Al + (9/2)O₂ ⟶ Al₂O₃ + 3SO₂
Умножим на 2, чтобы избавиться от дроби:
6S + 4Al + 9O₂ ⟶ 2Al₂O₃ + 6SO₂
Анализируя изменения степеней окисления:
• для алюминия: 0 ⟶ +3 (окисляется);
• для кислорода: 0 ⟶ –2 (восстанавливается);
• для серы: 0 ⟶ +4 (в оксиде серы SO₂) – то есть сера отдает электроны и действует как восстановитель.
Теперь рассмотрим реакцию (б):
Реакция (б) записывается как:
S + HNO₃ ⟶ SO₂ + NO₂ + H₂O
В этой реакции сера превращается из элементарного состояния (S в степени 0) в диоксид серы (SO₂), где степень окисления серы равна +4. Для выяснения баланса электронов проведём разложение на полуреакции в кислой среде.
1. Полуреакция окисления серы:
S + 2H₂O ⟶ SO₂ + 4H⁺ + 4e⁻
(Здесь сера теряет 4 электрона, переходя из 0 в +4.)
2. Полуреакция восстановления нитрат-ионов (NO₃⁻) до диоксида азота (NO₂). Для NO₃⁻ делаем баланс в кислой среде:
NO₃⁻ + 2H⁺ + e⁻ ⟶ NO₂ + H₂O
Чтобы уравнять число электронов с реакцией окисления серы, умножим эту полуреакцию на 4:
4NO₃⁻ + 8H⁺ + 4e⁻ ⟶ 4NO₂ + 4H₂O
Складывая обе полуреакции, получим:
S + 2H₂O + 4NO₃⁻ + 8H⁺ ⟶ SO₂ + 4H⁺ + 4NO₂ + 4H₂O
Вынесем общий множитель и сократим одинаковые слагаемые (переносим 4H⁺ и 2H₂O с обеих сторон):
S + 4NO₃⁻ + 4H⁺ ⟶ SO₂ + 4NO₂ + 2H₂O
В молекулярной форме «HNO₃» является источником как NO₃⁻, так и H⁺, поэтому окончательное уравнение можно записать так:
S + 4HNO₃ ⟶ SO₂ + 4NO₂ + 2H₂O
При этом сера переходит из 0 в +4, то есть отдает электроны и выступает как восстановитель.
─────────────────────────────
Вывод:
Можно предложить два варианта, в зависимости от того, какую реакцию мы рассматриваем для (а):
► Если рассматривать реакцию (а) как образование сульфида алюминия:
2Al + 3S ⟶ Al₂S₃
В этой реакции сера переходит из 0 в –2 (принимает электроны) и, следовательно, действует как окислитель, в отличие от алюминия, который окисляется.
► Если же рассматривать реакцию (б) с нитратом:
S + 4HNO₃ ⟶ SO₂ + 4NO₂ + 2H₂O
В ней сера переходит из 0 в +4 (отдаёт электроны) и действует как восстановитель.
Таким образом, согласно условию задачи можно дать ответ:
– В реакции (а) (при условии образования сульфида) сера выполняет роль окислителя.
– В реакции (б) сера является восстановителем.
─────────────────────────────
Ответ по шагам (с использованием метода электронного баланса):
1. Для реакции (а) (2Al + 3S ⟶ Al₂S₃):
Окислительный процесс (алюминий):
2Al ⟶ 2Al³⁺ + 6e⁻
Восстановительный процесс (сера):
3S + 6e⁻ ⟶ 3S²⁻
Складывая:
2Al + 3S ⟶ Al₂S₃
Здесь сера получает электроны (0 ⟶ –2) → окислитель.
2. Для реакции (б) (S + 4HNO₃ ⟶ SO₂ + 4NO₂ + 2H₂O):
Полуреакция окисления серы:
S + 2H₂O ⟶ SO₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Полуреакция восстановления NO₃⁻:
NO₃⁻ + 2H⁺ + e⁻ ⟶ NO₂ + H₂O
(×4:) 4NO₃⁻ + 8H⁺ + 4e⁻ ⟶ 4NO₂ + 4H₂O
Складывая:
S + 2H₂O + 4NO₃⁻ + 8H⁺ ⟶ SO₂ + 4H⁺ + 4NO₂ + 4H₂O
После сокращения получаем:
S + 4NO₃⁻ + 4H⁺ ⟶ SO₂ + 4NO₂ + 2H₂O
В молекулярном виде:
S + 4HNO₃ ⟶ SO₂ + 4NO₂ + 2H₂O
Здесь сера отдает 4 электрона (0 ⟶ +4) → восстановитель.
─────────────────────────────
Итоговый ответ:
– В реакции (а) (при образовании Al₂S₃) сера принимает электроны (из S(0) в S²⁻) и, следовательно, действует как окислитель.
– В реакции (б) сера отдает электроны (из S(0) в S(+4) в SO₂) и действует как восстановитель.
Эти схемы демонстрируют применение метода электронного баланса для анализа окислительно-восстановительных процессов с участием серы, без использования LaTeX‑формата (все формулы записаны символами Unicode).