Номер 6, страница 40, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

6. Составьте электронный баланс для уравнений 1-й и 2-й стадий производства серной кислоты.

Производство серной кислоты контактным способом включает три основные стадии. Первые две являются окислительно-восстановительными реакциями.

1-я стадия: Обжиг колчедана (пирита)

На этой стадии происходит окисление пирита ($FeS_2$) кислородом воздуха с образованием оксида железа(III) ($Fe_2O_3$) и оксида серы(IV) ($SO_2$).

Решение

Схема реакции: $FeS_2 + O_2 \rightarrow Fe_2O_3 + SO_2$.

1. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции. В пирите ($FeS_2$) железо имеет степень окисления +2, а сера -1 (это дисульфид-ион $S_2^{2-}$). Кислород в простом веществе имеет степень окисления 0. В продуктах железо в $Fe_2O_3$ имеет степень окисления +3, сера в $SO_2$ +4, а кислород -2.

$Fe^{+2}S_2^{-1} + O_2^0 \rightarrow Fe_2^{+3}O_3^{-2} + S^{+4}O_2^{-2}$

2. Составим полуреакции окисления и восстановления. Удобно рассматривать окисление ионов, входящих в состав $FeS_2$, совместно, так как оба элемента (железо и сера) окисляются:

$Fe^{+2} - 1e^- \rightarrow Fe^{+3}$

$2S^{-1} - 10e^- \rightarrow 2S^{+4}$

Суммарно одна формульная единица $FeS_2$ отдает $1 + 10 = 11$ электронов.

Процесс окисления (восстановитель $FeS_2$):

$Fe^{+2}S_2^{-1} - 11e^- \rightarrow Fe^{+3} + 2S^{+4}$

Процесс восстановления (окислитель $O_2$):

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$

3. Найдем наименьшее общее кратное (НОК) для числа отданных (11) и принятых (4) электронов. НОК(11, 4) = 44. Это означает, что в реакции участвуют 44 электрона.

4. Определим коэффициенты для восстановителя и окислителя, разделив НОК на число электронов в полуреакциях:

$Fe^{+2}S_2^{-1} - 11e^- \rightarrow Fe^{+3} + 2S^{+4}$ | 4

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 11

5. Расставим коэффициенты в уравнении реакции. Перед $FeS_2$ ставим 4, перед $O_2$ ставим 11. Затем уравниваем продукты: из $4FeS_2$ получится $2Fe_2O_3$ (чтобы было 4 атома Fe) и $8SO_2$ (чтобы было $4 \times 2 = 8$ атомов S).

Итоговое уравнение: $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$.

Проверим баланс атомов кислорода: слева $11 \times 2 = 22$. Справа $2 \times 3 + 8 \times 2 = 6 + 16 = 22$. Баланс соблюден.

Ответ: Электронный баланс для первой стадии:

$FeS_2$ (восстановитель): $Fe^{+2}S_2^{-1} - 11e^- \rightarrow Fe^{+3} + 2S^{+4}$ | 4

$O_2$ (окислитель): $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 11

Суммарное уравнение: $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$.

2-я стадия: Каталитическое окисление оксида серы(IV)

На этой стадии оксид серы(IV) ($SO_2$) окисляется кислородом до оксида серы(VI) ($SO_3$) в присутствии катализатора (например, $V_2O_5$).

Решение

Схема реакции: $SO_2 + O_2 \rightleftharpoons SO_3$.

1. Определим степени окисления элементов:

$S^{+4}O_2^{-2} + O_2^0 \rightleftharpoons S^{+6}O_3^{-2}$

Сера повышает степень окисления с +4 до +6, а кислород понижает с 0 до -2.

2. Составим полуреакции окисления и восстановления:

Процесс окисления (восстановитель $SO_2$):

$S^{+4} - 2e^- \rightarrow S^{+6}$

Процесс восстановления (окислитель $O_2$):

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$

3. Найдем наименьшее общее кратное для числа отданных (2) и принятых (4) электронов. НОК(2, 4) = 4.

4. Определим коэффициенты:

$S^{+4} - 2e^- \rightarrow S^{+6}$ | 2

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1

5. Расставим коэффициенты в уравнении реакции. Перед $S^{+4}$ (т.е. перед $SO_2$) ставим 2, перед $O_2$ ставим 1. В продуктах перед $S^{+6}$ (т.е. перед $SO_3$) также ставим 2.

Итоговое уравнение: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$.

Проверим баланс атомов: слева 2 атома S и $2 \times 2 + 2 = 6$ атомов O. Справа 2 атома S и $2 \times 3 = 6$ атомов O. Баланс соблюден.

Ответ: Электронный баланс для второй стадии:

$SO_2$ (восстановитель): $S^{+4} - 2e^- \rightarrow S^{+6}$ | 2

$O_2$ (окислитель): $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1

Суммарное уравнение: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$.