7. Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции, схема которой H2SO4 + Zn → ZnSO4 + H2S + H2O Определите окислитель и восстановитель.

Решение:

Определим степени окисления всех элементов в реакции:

• В H₂SO₄: H(+1), S(+6), O(-2)
• В Zn: Zn(0)
• В ZnSO₄: Zn(+2), S(+6), O(-2)
• В H₂S: H(+1), S(-2)
• В H₂O: H(+1), O(-2)

Выделим элементы, изменяющие степень окисления:

• Цинк (Zn) изменяет степень окисления с 0 до +2 (окисление).
• Сера (S) изменяет степень окисления с +6 до -2 (восстановление).

Составим электронный баланс:

• Zn⁰ - 2e^- → Zn⁺² | (восстановитель)
• S⁺⁶ + 8e^- → S^-2 | (окислитель)

Для уравнивания электронов найдем наименьшее общее кратное (НОК) для 2 и 8, которое равно 8.

• Zn⁰ - 2e^- → Zn⁺² | × 4
• S⁺⁶ + 8e^- → S^-2 | × 1

Расставим коэффициенты в уравнении реакции:

• 4H₂SO₄ + Zn → 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O

Проверим баланс по атомам:

• Zn: 1 = 4 (Здесь ошибка в расстановке коэффициентов, так как ZnSO4 образуется только из Zn, а сера берется из H2SO4. Пересмотрим баланс.)

Пересмотр электронного баланса и расстановка коэффициентов:

Атом серы в H₂SO₄ имеет степень окисления +6 и переходит в H₂S со степенью окисления -2. Это означает, что 1 молекула H₂SO₄ восстанавливается.

Атом цинка Zn имеет степень окисления 0 и переходит в ZnSO₄ со степенью окисления +2. Это означает, что 1 атом Zn окисляется.

Электронный баланс:

• Zn⁰ - 2e^- → Zn⁺² | × 4
• S⁺⁶ + 8e^- → S^-2 | × 1

Из этого баланса следует, что нам нужно 4 атома цинка на 1 атом серы, которая восстанавливается.

Однако, в уравнении реакции один атом Zn окисляется до Zn⁺², а один атом S восстанавливается из +6 до -2. Для балансировки электронов, мы умножим окисление на 4, а восстановление на 1.

• Zn⁰ - 2e^- → Zn⁺² | × 4
• S⁺⁶ + 8e^- → S^-2 | × 1

Это дает нам коэффициенты 4 перед Zn и 1 перед H₂S.

Уравнение будет выглядеть так:

• 4H₂SO₄ + 4Zn → 4ZnSO₄ + H₂S + H₂O

Теперь проверим баланс кислорода и водорода:

• Кислород: 4 × 4 = 16 (слева) ; 4 × 4 + 1 = 17 (справа). Не сходится.

Вторая попытка расстановки коэффициентов:

Заметим, что серная кислота выступает и как окислитель (сера +6 → -2), и как среда (сера +6 → +6 в ZnSO₄).

Пусть x - коэффициент перед H₂SO₄, y - перед Zn, z - перед ZnSO₄, w - перед H₂S, v - перед H₂O.

Электронный баланс:

• Zn⁰ - 2e^- → Zn⁺² | × 4
• S⁺⁶ + 8e^- → S^-2 | × 1

Это значит, что соотношение Zn : S (восстанавливающегося) должно быть 4:1. Так как у нас 1 атом Zn, нам нужен 1 атом S, который восстанавливается. Атомы серы в ZnSO₄ остаются +6.

Предположим, что коэффициент перед H₂S равен 1.

• Zn⁰ - 2e^- → Zn⁺² | × 4
• S⁺⁶ + 8e^- → S^-2 | × 1

Это дает нам:

• 4Zn + H₂SO₄ (восст.) → 4ZnSO₄ + H₂S + H₂O

Теперь необходимо уравнять серу. Мы имеем 1 атом серы в H₂S. В ZnSO₄ сера имеет степень +6, как и в H₂SO₄. Значит, на 4 атома Zn, которые образуют 4ZnSO₄, нам нужно 4 атома серы, которые не восстанавливаются.

Итак, общее количество серы слева должно быть 1 (восстанавливающейся) + 4 (не восстанавливающейся) = 5. Значит, перед H₂SO₄ ставим коэффициент 5.

• 5H₂SO₄ + Zn → 4ZnSO₄ + H₂S + H₂O

Теперь уравняем водород:

• Слева: 5 × 2 = 10 атомов H.
• Справа: 2 (в H₂S) + 2v (в H₂O).
• 10 = 2 + 2v → 2v = 8 → v = 4.

Уравнение:

• 5H₂SO₄ + Zn → 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O

Проверим кислород:

• Слева: 5 × 4 = 20 атомов O.
• Справа: 4 × 4 (в ZnSO₄) + 4 × 1 (в H₂O) = 16 + 4 = 20 атомов O.

Уравнение сбалансировано.

Окислитель: H₂SO₄ (сера в степени окисления +6)

Восстановитель: Zn (цинк в степени окисления 0)