Номер 33, страница 241 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

9.33. Почему при сгорании железа в кислороде образуется оксид, в котором часть железа находится в степени окисления +2, а при ржавлении на влажном воздухе всё железо превращается в железо (+3)?

Решение

Различие в продуктах окисления железа при сгорании в кислороде и при ржавлении на влажном воздухе объясняется разными условиями протекания этих процессов, в первую очередь, температурой и наличием воды.

Сгорание железа в кислороде. Этот процесс представляет собой быструю экзотермическую реакцию, протекающую при очень высоких температурах. В этих условиях железо реагирует с кислородом с образованием железной окалины, или оксида железа(II,III): $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4$. Данный оксид является смешанным, его состав можно условно представить как $FeO \cdot Fe_2O_3$. В нём один атом железа имеет степень окисления +2, а два других — +3. Образование именно $Fe_3O_4$, а не высшего оксида $Fe_2O_3$, является термодинамически более выгодным при высоких температурах, характерных для горения. Окисление быстро останавливается на этой устойчивой в данных условиях стадии.

Ржавление железа на влажном воздухе. Этот процесс, в отличие от горения, является медленным электрохимическим процессом, который происходит при обычных температурах и требует одновременного присутствия кислорода и воды, которая выступает в роли электролита. Процесс ржавления проходит в несколько стадий:
1. Анодное окисление железа: $Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$.
2. Катодное восстановление кислорода: $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$.
3. Образование гидроксида железа(II): $Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2$.
4. Дальнейшее окисление до гидроксида железа(III): $4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$.
Продукт ржавления — гидроксид железа(III) $Fe(OH)_3$, или гидратированный оксид $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$. В этом соединении всё железо находится в своей высшей и наиболее устойчивой в водных средах при обычных условиях степени окисления +3.

Таким образом, ключевое различие заключается в условиях: высокая температура при сгорании приводит к образованию смешанного оксида $Fe_3O_4$, тогда как медленный электрохимический процесс ржавления при низкой температуре в присутствии воды позволяет железу полностью окислиться до соединений железа(+3).

Ответ: При сгорании железа в кислороде реакция протекает при очень высокой температуре, что термодинамически способствует образованию смешанного оксида железа(II,III) $Fe_3O_4$, в котором часть атомов железа имеет степень окисления +2, а часть — +3. Ржавление же — это медленный электрохимический процесс, протекающий при комнатной температуре в присутствии воды; в этих условиях железо постепенно окисляется до своей наиболее устойчивой степени окисления +3, образуя гидратированный оксид железа(III) (ржавчину).