Вторая заметка из серии. С первой можно ознакомиться здесь:
1) Типовая задача с использованием метода полуреакций
Пример нестандартного использования метода полуреакций
В предыдущей заметке неспроста было упомянуто приложение метода полуреакций для процессов в водной среде, ведь H₂O и продукты её диссоциации – катионы водорода H⁺ и гидроксид-анионы OH⁻ – могут выступать как в роли источника недостающих атомов, так и служить в качестве «канала утилизации» атомов лишних. Во встречавшихся мне вариантах задач именно на применение метода полуреакций взаимодействие веществ всегда в воде и протекало (в крайнем случае – неявно подразумевалось). Тем не менее, рассматриваемый подход вполне применим и в иных ситуациях. Рассмотрим его на примере известной хрестоматийной реакции обжига пирита FeS₂, использующейся при промышленном производстве серной кислоты. На уроках в школе в качестве отдельного задания ученики нередко занимаются расстановкой коэффициентов в этой реакции, разумеется – методом электронного баланса. Но ведь мы здесь речь сейчас не о нём ведём.
А давайте представим, будто окисление пирита (дисульфида железа) кислородом
FeS₂ + O₂ → ...
протекает в водном растворе и попробуем найти коэффициенты уравнения этой реакции.
Пусть O₂ переходит в воду:
O₂ → H₂O
Молекула кислорода двухатомна, поэтому запишем это так:
O₂ → 2H₂O
В правой части у нас возникло четыре атома водорода. Добавим их в левую в виде водородных же катионов:
O₂ + 4H⁺ → 2H₂O
Суммарный электрический заряд в левой части 4·(+1) = +4, правая же нейтральна, поэтому если слева прибавить четыре электрона, то получится уравнение полуреакции восстановления:
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ = 2H₂O
Пирит, как известно, в ходе обжига даёт оксид железа (III) и сернистый газ:
FeS₂ → Fe₂O₃ + SO₂
Чтобы точно учесть количества атомов железа и серы запишем следующее:
2FeS₂ → Fe₂O₃ + 4SO₂
В правой части у нас получилось 11 атомов кислорода. Добавим их в левую в составе молекул воды:
2FeS₂ + 11H₂O → Fe₂O₃ + 4SO₂
Теперь в правой части не хватает 22 атомов водорода. Представим их как соответствующие катионы:
2FeS₂ + 11H₂O → Fe₂O₃ + 4SO₂ + 22H⁺
Все атомы уравнены, но левая часть электронейтральна, а суммарный электрический заряд в правой части получается равным +22. Учтём это, отняв слева 22 электрона и получив уравнение полуреакции окисления:
2FeS₂ + 11H₂O – 22e⁻ = Fe₂O₃ + 4SO₂ + 22H⁺
Запишем обе полуреакции вместе и заметим, что наименьшим общим кратным числа отданных и принятых электронов является 44:
Домножим коэффициенты в полуреакции окисления на 44 : 22 = 2, а в полуреакции восстановления – на 44 : 4 = 11, после чего сложим соответствующие части уравнений:
Как видно, что в левой, что в правой частях фигурируют 22 молекулы воды и 44 катиона водорода:
4FeS₂ + 22H₂O + 11O₂ + 44H⁺ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + 44H⁺ + 22H₂O
Это означает, что данные частицы в реакции не участвуют (да кто бы сомневался, особенно если вспомнить, как обжиг пирита на самом деле осуществляется!) и их не только можно, но и нужно из уравнения выкинуть:
4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂
Может быть кто-то скажет, что так уравнивать реакции нельзя, что эта дичь вообще против всех правил и нужно срочно вызывать полицию, но посмотрите на результат: уравнение сбалансировано – задача решена. А вот о том, почему странное допущение участия воды приводит к правильному результату, как раз и пойдёт речь в последующих публикациях серии.
См. далее:
3) Про недомолвки первого типа
4) Про недомолвки второго типа