Номер 5, страница 25, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

5. Составьте уравнения реакций, в результате которых можно получить металлическое железо из его оксидов $Fe_2O_3$ и $Fe_3O_4$, используя в качестве восстановителя:

а) оксид углерода (II);

б) алюминий;

в) водород.

Покажите переход электронов и укажите окислитель и восстановитель.

Решение

Для получения металлического железа из его оксидов ($Fe_2O_3$ и $Fe_3O_4$) используют реакции восстановления, где оксиды железа выступают в роли окислителей, а указанные вещества (оксид углерода(II), алюминий, водород) — в роли восстановителей. Процесс восстановления заключается в понижении степени окисления железа от $+3$ (в $Fe_2O_3$) или $+8/3$ (средняя в $Fe_3O_4$) до $\text{0}$.

Восстановление оксидов железа оксидом углерода(II) (угарным газом) является основой доменного процесса производства чугуна. Реакции протекают при высокой температуре.

1. Реакция с оксидом железа(III) ($Fe_2O_3$):

Уравнение реакции:

$Fe_2O_3 + 3Co \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2$

Степени окисления изменяют железо и углерод:

$Fe_2^{+3}O_3 + 3C^{+2}o \rightarrow 2Fe^0 + 3C^{+4}O_2$

Электронный баланс:

$Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0$ | 2 | восстановление

$C^{+2} - 2e^- \rightarrow C^{+4}$ | 3 | окисление

Окислитель: $Fe_2O_3$ (за счет $Fe^{+3}$), восстановитель: $CO$ (за счет $C^{+2}$).

2. Реакция с железной окалиной ($Fe_3O_4$):

Уравнение реакции:

$Fe_3O_4 + 4Co \xrightarrow{t} 3Fe + 4CO_2$

Степени окисления изменяют железо и углерод (для $Fe_3O_4$ используем среднюю степень окисления железа $+8/3$):

$Fe_3^{+8/3}O_4 + 4C^{+2}o \rightarrow 3Fe^0 + 4C^{+4}O_2$

Электронный баланс:

$3Fe^{+8/3} + 8e^- \rightarrow 3Fe^0$ | 1 | восстановление

$C^{+2} - 2e^- \rightarrow C^{+4}$ | 4 | окисление

Окислитель: $Fe_3O_4$ (за счет $Fe^{+8/3}$), восстановитель: $CO$ (за счет $C^{+2}$).

Ответ: $Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$; $Fe_3O_4 + 4Co \rightarrow 3Fe + 4CO_2$.

Восстановление оксидов металлов алюминием (алюминотермия) — это экзотермический процесс, используемый для получения тугоплавких металлов и для сварки (термитная сварка).

1. Реакция с оксидом железа(III) ($Fe_2O_3$):

Уравнение реакции:

$Fe_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} 2Fe + Al_2O_3$

Степени окисления изменяют железо и алюминий:

$Fe_2^{+3}O_3 + 2Al^0 \rightarrow 2Fe^0 + Al_2^{+3}O_3$

Электронный баланс:

$Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0$ | 2 | восстановление

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ | 2 | окисление

Окислитель: $Fe_2O_3$ (за счет $Fe^{+3}$), восстановитель: $Al$ (за счет $Al^0$).

2. Реакция с железной окалиной ($Fe_3O_4$):

Уравнение реакции:

$3Fe_3O_4 + 8Al \xrightarrow{t} 9Fe + 4Al_2O_3$

Степени окисления изменяют железо и алюминий:

$3Fe_3^{+8/3}O_4 + 8Al^0 \rightarrow 9Fe^0 + 4Al_2^{+3}O_3$

Электронный баланс:

$3Fe^{+8/3} + 8e^- \rightarrow 3Fe^0$ | 3 | восстановление

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ | 8 | окисление

Окислитель: $Fe_3O_4$ (за счет $Fe^{+8/3}$), восстановитель: $Al$ (за счет $Al^0$).

Ответ: $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$; $3Fe_3O_4 + 8Al \rightarrow 9Fe + 4Al_2O_3$.

Восстановление водородом (водородотермия) используется для получения чистых металлов, так как продуктом реакции, помимо металла, является вода, которую легко удалить.

1. Реакция с оксидом железа(III) ($Fe_2O_3$):

Уравнение реакции:

$Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O$

Степени окисления изменяют железо и водород:

$Fe_2^{+3}O_3 + 3H_2^0 \rightarrow 2Fe^0 + 3H_2^{+1}O$

Электронный баланс:

$Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0$ | 2 | восстановление

$2H^0 - 2e^- \rightarrow 2H^{+1}$ | 3 | окисление

Окислитель: $Fe_2O_3$ (за счет $Fe^{+3}$), восстановитель: $H_2$ (за счет $H^0$).

2. Реакция с железной окалиной ($Fe_3O_4$):

Уравнение реакции:

$Fe_3O_4 + 4H_2 \xrightarrow{t} 3Fe + 4H_2O$

Степени окисления изменяют железо и водород:

$Fe_3^{+8/3}O_4 + 4H_2^0 \rightarrow 3Fe^0 + 4H_2^{+1}O$

Электронный баланс:

$3Fe^{+8/3} + 8e^- \rightarrow 3Fe^0$ | 1 | восстановление

$2H^0 - 2e^- \rightarrow 2H^{+1}$ | 4 | окисление

Окислитель: $Fe_3O_4$ (за счет $Fe^{+8/3}$), восстановитель: $H_2$ (за счет $H^0$).

Ответ: $Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2Fe + 3H_2O$; $Fe_3O_4 + 4H_2 \rightarrow 3Fe + 4H_2O$.