Для окислительно-восстановительной реакции определите степени окисления элементов, укажите окислитель и восстановитель. Определите возможность самопроизвольного протекания в прямом направлении. Подберите коэффициенты в уравнении реакции методом электронного баланса: FeSO4 + HNO3(конц.) → Fe(NO3)3 + NO2(г) + H2O + H2SO4

Дано уравнение реакции:

FeSO₄ + HNO₃(конц.) → Fe(NO₃)₃ + NO₂(г) + H₂O + H₂SO₄

Определим степени окисления элементов и найдем, кто является окислителем и восстановителем.

1. Определение степеней окисления

FeSO₄:

• кислород имеет степень окисления −2;

• в ионе SO₄²⁻:

  S + 4 · (−2) = −2
  S − 8 = −2
  S = +6

• ион SO₄²⁻ имеет заряд −2, поэтому железо в FeSO₄:

  Fe + (−2) = 0
  Fe = +2

Получаем:

FeSO₄: Fe(+2), S(+6), O(−2)

HNO₃:

• H = +1;

• O = −2;

N + 1 + 3 · (−2) = 0
N − 5 = 0
N = +5

Получаем:

HNO₃: H(+1), N(+5), O(−2)

Fe(NO₃)₃:

В нитрат-ионе NO₃⁻:

N + 3 · (−2) = −1
N − 6 = −1
N = +5

Следовательно:

Fe(NO₃)₃: Fe(+3), N(+5), O(−2)

NO₂:

N + 2 · (−2) = 0
N − 4 = 0
N = +4

Получаем:

NO₂: N(+4), O(−2)

2. Определение процессов окисления и восстановления

Железо:

Fe²⁺ → Fe³⁺

Степень окисления увеличилась с +2 до +3, значит железо отдает электрон:

Fe²⁺ − e⁻ → Fe³⁺

Это процесс окисления.

Азот:

N(+5) в HNO₃ → N(+4) в NO₂

Степень окисления уменьшилась, значит азот принимает электрон:

N(+5) + e⁻ → N(+4)

Это процесс восстановления.

Следовательно:

• восстановитель — FeSO₄ (ион Fe²⁺), так как он отдает электроны;

• окислитель — HNO₃ (ион NO₃⁻, азот +5), так как он принимает электроны.

3. Возможность самопроизвольного протекания реакции

Окислительно-восстановительная реакция может протекать самопроизвольно, если более сильный окислитель принимает электроны у более сильного восстановителя.

В данной реакции:

• Fe²⁺ способен окисляться до Fe³⁺;

• концентрированная азотная кислота является сильным окислителем и восстанавливается до NO₂.

Поэтому реакция в прямом направлении возможна и протекает самопроизвольно.

4. Электронный баланс

Записываем изменения степеней окисления:

Fe²⁺ − e⁻ → Fe³⁺

N⁺⁵ + e⁻ → N⁺⁴

Число отданных и принятых электронов одинаково:

Fe²⁺ отдает 1 электрон,
N⁺⁵ принимает 1 электрон.

Соотношение:

Fe : N = 1 : 1

Значит перед FeSO₄ и NO₂ коэффициенты будут одинаковыми.

Составляем уравнение:

FeSO₄ + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + H₂O + H₂SO₄

Балансируем железо:

FeSO₄ → Fe(NO₃)₃

Перед FeSO₄ ставим 1, перед Fe(NO₃)₃ — 1.

Сера из FeSO₄ переходит в H₂SO₄, поэтому:

FeSO₄ + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + H₂O + H₂SO₄

Для образования Fe(NO₃)₃ необходимо 3 нитрат-иона, а один нитрат восстанавливается до NO₂. Всего требуется 4 молекулы HNO₃.

Получаем:

FeSO₄ + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + H₂O + H₂SO₄

Проверяем атомы:

Fe: 1 = 1
S: 1 = 1
N: 4 = 3 + 1
H: 4 = 2 + 2
O: слева 4 + 12 = 16, справа 9 + 2 + 1 + 4 = 16

Баланс выполнен.

Ответ:

Степени окисления:

• FeSO₄: Fe(+2), S(+6), O(−2)

• HNO₃: H(+1), N(+5), O(−2)

• Fe(NO₃)₃: Fe(+3), N(+5), O(−2)

• NO₂: N(+4), O(−2)

Окислитель — HNO₃ (N⁺⁵).
Восстановитель — FeSO₄ (Fe²⁺).

Реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении.

Уравнение с коэффициентами:

FeSO₄ + 4HNO₃(конц.) → Fe(NO₃)₃ + NO₂↑ + 2H₂O + H₂SO₄.