20 Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции, схема которой Al4C3 + O2 → Al2O3 + CO2 Определите окислитель и восстановитель.

Решение:

Запишем исходное уравнение реакции:

\( \text{Al}_4\text{C}_3 + \text{O}_2 \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{CO}_2 \)

Определим степени окисления элементов:

• В \( \text{Al}_4\text{C}_3 \): Al имеет степень окисления +3, тогда на 3 атома углерода приходится \( -12 \) (так как \( 4 \times (+3) = +12 \)), значит, каждый атом углерода имеет степень окисления \( -4 \frac{12}{3} = -4 \).
• В \( \text{O}_2 \): степень окисления кислорода равна 0.
• В \( \text{Al}_2\text{O}_3 \): Al имеет степень окисления +3, O — -2. \( 2 \times (+3) + 3 \times (-2) = +6 - 6 = 0 \).
• В \( \text{CO}_2 \): O имеет степень окисления -2, тогда C имеет степень окисления +4 (так как \( (+4) + 2 \times (-2) = +4 - 4 = 0 \)).

Выделим элементы, изменяющие степень окисления:

• Углерод (C): из \( -4 \) в \( +4 \) (окисление).
• Кислород (O): в \( \text{O}_2 \) 0, в \( \text{Al}_2\text{O}_3 \) -2 и в \( \text{CO}_2 \) -2 (восстановление).

Составим полуреакции:

Окисление:

\( \text{C}^{-4} \rightarrow \text{C}^{+4} + 8e^- \) (один атом углерода)

В \( \text{Al}_4\text{C}_3 \) у нас 3 атома углерода, поэтому:

\( \text{C}_3^{-12} \rightarrow 3\text{C}^{+4} + 3 \times 8e^- = 24e^- \)

Восстановление:

\( \text{O}_2^0 + 4e^- \rightarrow 2\text{O}^{-2} \) (для образования \( \text{Al}_2\text{O}_3 \) и \( \text{CO}_2 \))

Уравняем число отданных и принятых электронов. Наименьшее общее кратное для 24 и 4 — это 24.

Умножим полуреакцию восстановления на 6:

\( 6\text{O}_2^0 + 6 \times 4e^- \rightarrow 6 \times 2\text{O}^{-2} \)

\( 6\text{O}_2 + 24e^- \rightarrow 12\text{O}^{-2} \)

Теперь подставим коэффициенты в исходное уравнение:

\( \text{Al}_4\text{C}_3 + 6\text{O}_2 \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{CO}_2 \)

Необходимо уравнять алюминий:

\( \text{Al}_4\text{C}_3 + 6\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{CO}_2 \)

Проверим баланс:

Слева: Al=4, C=3, O=12.

Справа: Al=4, C=3, O= \( 2 \times 3 + 3 \times 2 \) = \( 6 + 6 \) = 12.

Баланс соблюден.

Определим окислитель и восстановитель:

• Восстановитель — элемент, который отдает электроны (степень окисления повышается). В данном случае это углерод (C) в \( \text{Al}_4\text{C}_3 \).
• Окислитель — элемент, который принимает электроны (степень окисления понижается). В данном случае это кислород (O) в \( \text{O}_2 \).

Ответ: Уравненное уравнение: \( \text{Al}_4\text{C}_3 + 6\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{CO}_2 \). Восстановитель: \( \text{Al}_4\text{C}_3 \) (углерод), Окислитель: \( \text{O}_2 \) (кислород).