Номер 4, страница 86, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

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

Решение

Железо в промышленности и лаборатории можно получить несколькими способами, в основном путем восстановления его из оксидов. Ниже приведены некоторые уравнения реакций:

1. Восстановление оксида железа(III) угарным газом (доменный процесс):

   $Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

2. Восстановление оксида железа(III) алюминием (алюмотермия, или термитная реакция):

   $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$

3. Восстановление оксида железа(III) водородом:

   $Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2Fe + 3H_2O$

Составим электронный баланс для двух из этих окислительно-восстановительных реакций.

1. Восстановление оксида железа(III) угарным газом

Рассмотрим реакцию: $Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:

Железо понижает степень окисления с +3 в оксиде $Fe_2O_3$ до 0 в простом веществе $Fe$.

Углерод повышает степень окисления с +2 в угарном газе $CO$ до +4 в углекислом газе $CO_2$.

Составим полуреакции окисления и восстановления:

$Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0$ (процесс восстановления, $Fe^{+3}$ – окислитель)

$C^{+2} - 2e^- \rightarrow C^{+4}$ (процесс окисления, $C^{+2}$ – восстановитель)

Чтобы уравнять число отданных и принятых электронов, находим наименьшее общее кратное для чисел 3 и 2, которое равно 6. Затем находим коэффициенты для полуреакций.

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

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

Эти коэффициенты показывают, что в реакции должно участвовать 2 атома железа и 3 атома углерода. Это соответствует уравнению $Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$.

2. Алюмотермическое восстановление железа

Рассмотрим реакцию: $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$

Определим степени окисления изменяющихся элементов:

Железо понижает степень окисления с +3 в $Fe_2O_3$ до 0 в $Fe$.

Алюминий повышает степень окисления с 0 в простом веществе $Al$ до +3 в $Al_2O_3$.

Составим полуреакции. Учтем, что в одной формульной единице $Fe_2O_3$ содержится два иона $Fe^{+3}$.

$2Fe^{+3} + 6e^- \rightarrow 2Fe^0$ (процесс восстановления, $Fe^{+3}$ – окислитель)

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ (процесс окисления, $Al^0$ – восстановитель)

Чтобы число отданных электронов равнялось числу принятых (6), вторую полуреакцию нужно умножить на 2.

$2Fe^{+3} + 6e^- \rightarrow 2Fe^0$ | 1

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

Таким образом, на 1 формульную единицу $Fe_2O_3$ (содержащую $2Fe^{+3}$) требуется 2 атома алюминия, что соответствует уравнению реакции $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$.

Ответ:

Уравнения реакций получения железа (примеры):

$Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

$Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$

$Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2Fe + 3H_2O$

Электронный баланс для двух реакций:

1) Для реакции $Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$:

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

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

2) Для реакции $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$:

$2Fe^{+3} + 6e^- \rightarrow 2Fe^0$ | 1 | окислитель ($Fe^{+3}$), восстановление

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