Номер 4, страница 130, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Напишите уравнения получения железа. Составьте для двух из них электронный баланс.

Уравнения получения железа

Железо в промышленности и лаборатории получают в основном восстановлением из его оксидов. Основными восстановителями служат уголь (кокс), оксид углерода(II), водород, а также более активные металлы, например, алюминий.

Примеры уравнений:

• Пирометаллургический (доменный) процесс — восстановление железа из руды (например, гематита $Fe_2O_3$) оксидом углерода(II):

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

• Алюминотермия — восстановление железа из оксида с помощью алюминия:

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

• Восстановление водородом — получение чистого железа:

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

• Восстановление углем (коксом):

  $2Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t^\circ} 4Fe + 3CO_2$

Электронный баланс для двух уравнений

1. Восстановление оксида железа(III) оксидом углерода(II)

Уравнение реакции: $Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

Определяем степени окисления элементов, которые их изменяют:

$\overset{+3}{Fe}_2\overset{-2}{O}_3 + \overset{+2}{C}\overset{-2}{O} \rightarrow \overset{0}{Fe} + \overset{+4}{C}\overset{-2}{O}_2$

Железо понижает свою степень окисления с +3 до 0, а углерод повышает с +2 до +4.

• $Fe^{+3}$ является окислителем.
• $C^{+2}$ (в составе CO) является восстановителем.

Составляем полуреакции электронного баланса:

$Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0 \quad | \times 2$ (процесс восстановления)

$C^{+2} - 2e^- \rightarrow C^{+4} \quad | \times 3$ (процесс окисления)

Число отданных и принятых электронов должно быть равным. Наименьшее общее кратное для 3 и 2 равно 6. Поэтому первую полуреакцию умножаем на 2, а вторую на 3. Эти множители являются коэффициентами в уравнении реакции.

Суммируем полуреакции:

$2Fe^{+3} + 3C^{+2} \rightarrow 2Fe^0 + 3C^{+4}$

Коэффициенты из баланса соответствуют уравнению реакции: перед $Fe$ ставим 2, перед $\text{C}$ — 3. Поскольку в исходном веществе $Fe_2O_3$ уже 2 атома железа, перед ним коэффициент 1. Перед $CO$ и $CO_2$ ставим 3.

Ответ:

Для реакции $Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ электронный баланс выглядит так:

$Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0 \quad | \times 2$ (окислитель, восстановление)

$C^{+2} - 2e^- \rightarrow C^{+4} \quad | \times 3$ (восстановитель, окисление)

2. Алюминотермия

Уравнение реакции: $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$

Определяем степени окисления:

$\overset{+3}{Fe}_2\overset{-2}{O}_3 + \overset{0}{Al} \rightarrow \overset{0}{Fe} + \overset{+3}{Al}_2\overset{-2}{O}_3$

Железо понижает степень окисления с +3 до 0, а алюминий повышает с 0 до +3.

• $Fe^{+3}$ является окислителем.
• $Al^0$ является восстановителем.

Составляем полуреакции электронного баланса:

$Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0 \quad | \times 2$ (процесс восстановления)

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3} \quad | \times 2$ (процесс окисления)

В реакции участвуют 2 атома железа и 2 атома алюминия (согласно уравнению реакции), поэтому, чтобы сбалансировать общее число электронов, можно умножить обе полуреакции на 2. Общее число переданных электронов равно $2 \times 3 = 6$.

$2Fe^{+3} + 6e^- \rightarrow 2Fe^0$

$2Al^0 - 6e^- \rightarrow 2Al^{+3}$

Суммируем полуреакции:

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

Коэффициенты, полученные в балансе, соответствуют уравнению реакции. Перед $Al$ и $Fe$ стоит коэффициент 2, а $Fe_2O_3$ и $Al_2O_3$ содержат по 2 атома металла, поэтому перед ними коэффициент 1.

Ответ:

Для реакции $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$ электронный баланс выглядит так:

$Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0 \quad | \times 2$ (окислитель, восстановление)

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3} \quad | \times 2$ (восстановитель, окисление)