III. Упражнения по составлению химических уравнений

3. 1) 3Fe + 4H₂O ⇄ 4H₂ + Fe₃O₄ + 35,6 ккал.
Реакция Fe с H₂O протекает по указанному уравнению при действии паров воды на раскаленное железо. Реакция протекает с выделением тепла, поэтому в соответствии с принципом Ле-Шателье понижение температуры должно сдвигать равновесие в сторону образования большего количества водорода, и наоборот — повышение температуры будет сдвигать равновесие справа налево. Однако если вести процесс при низких температурах, то вследствие малой скорости реакции равновесие устанавливается очень медленно, и поэтому выход водорода в единицу времени будет весьма небольшой.
На практике эту реакцию ведут при температуре 700°.
Константа равновесия для данной реакции будет иметь следующий вид:
$K = \frac{[\mathrm{H_2}]^4}{[\mathrm{H_2O}]^4}.$
Константа равновесия показывает, что равновесие реакции может быть нарушено только путем увеличения или уменьшения концентрации водорода или водяного пара. Количества Fe и Fe₃O₄ (твердые вещества) не оказывают влияния на состояние равновесия.
Сущность реакции заключается в перемещении электронов: железо отдает электроны и переходит в положительные ионы 3Fe − 8e⁻ ⇄ Fe²⁺·2Fe³⁺ (окисляется); ионы водорода в молекуле воды проявляют окислительные свойства, принимают электроны 8H⁺ + 8e⁻ ⇄ 4H₂ (восстанавливаются).
В промышленности на рассмотренной реакции основан железо-паровой метод получения водорода.

7. Если к раствору соли KCl прибавить раствор винной кислоты H₂C₄H₄O₆ (или ее соли NaHC₄H₄O₆), то образуется белый кристаллический осадок кислого виннокислого калия (гидротартрата) KHC₄H₄O₆:
KCl + H₂C₄H₄O₆ ⇄ ↓KHC₄H₄O₆ + HCl
Этот осадок растворим в холодной воде, хорошо растворим в горячей воде, а также в сильных кислотах и щелочах.
Указанными свойствами определяются и необходимые условия для проведения реакции в желательном для нас направлении (получение осадка). Осадок KHC₄H₄O₆ растворим даже в холодной воде, поэтому для осуществления реакции необходимо, чтобы раствор был достаточно концентрированным; так как растворение проходит в горячей воде лучше, чем в холодной, то реакцию нужно вести на холоду. Поскольку осадок растворим в минеральных кислотах и щелочах, среда должна быть нейтральной.
В правой части приведенного нами уравнения образуется соляная кислота, которая мешает реакции, делая ее обратимой. Чтобы избежать этого, в реакцию вводят раствор NaC₂H₃O₂, вследствие чего сильная кислота (HCl) замещается слабой (HCH₃COO), которая не растворяет осадка:
NaC₂H₃O₂ + HCl = HC₂H₃O₂ + NaCl
Общее уравнение реакции, с учетом первого и второго уравнений, можно представить следующим образом:
KCl + H₂C₄H₄O₆ + NaC₂H₃O₂ = ↓KHC₄H₄O₆ + NaCl + HC₂H₃O₂
Сущность данной реакции заключается в образовании осадка KHC₄H₄O₆ из находящихся в растворе ионов:
KCl ⇄ K⁺ + Cl⁻
H₂C₄H₄O₆ ⇄ H⁺ + HC₄H₄O₆⁻
K⁺ + HC₄H₄O₆⁻ = ↓KHC₄H₄O₆
По выпадению этого осадка в аналитической химии судят о присутствии калия в растворе.

15. 5) Реакция окисления железного колчедана (пирита) кислородом может быть выражена следующим суммарным уравнением:
4FeS₂ + 11O₂ ⇄ 8SO₂ + 2Fe₂O₃ + Q (815,2 ккал)
Реакция экзотермическая, поэтому количество выделяющегося тепла вполне достаточно для сжигания колчедана без подвода тепла извне.
Хорошим условием протекания данной реакции является применение колчедана более мелкого помола и непрерывный приток воздуха с повышенным процентом кислорода.
Константа равновесия будет иметь следующий вид:
$K = \frac{[\mathrm{SO_2}]^8}{[\mathrm{O_2}]^{11}}$ или $K = \frac{[\mathrm{O_2}]^{11}}{[\mathrm{SO_2}]^8}$
Твердые вещества FeS₂ и Fe₂O₃ реагируют только с поверхности, поэтому их концентрации не входят в выражение константы равновесия. Равновесие реакции может быть нарушено только изменением концентрации кислорода или SO₂.
Сущность реакции заключается в перемещении электронов: молекула пирита FeS₂ является восстановителем, ее можно рассматривать, как Fe²⁺[S₂]²⁻, в которой Fe²⁺ отдает 1 электрон и переходит в Fe³⁺, [S₂]²⁻ суммарно отдает 10 электронов и переходит в 2SO₂. Всего, следовательно, молекула FeS₂ отдает 11 электронов, окисляясь в Fe₂O₃ и SO₂, молекула кислорода O₂ принимает 4 электрона, восстанавливаясь в 2O²⁻.
Таким образом, уравнение данной реакции можно представить в следующем виде:
$\frac{4\mathrm{Fe[S_2]}}{11} + \underset{4}{11\mathrm{O_2}} = 8\mathrm{SO_2} + 2\mathrm{Fe_2O_3} + 815{,}2\ \textit{ккал}$
В технике эта реакция применяется для получения SO₂.

16. 1) Окисление двуокиси серы (SO₂) кислородом воздуха в трехокись серы (SO₃) протекает по уравнению:
2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + 46 ккал
Эта реакция является обратимой, идет с большим выделением тепла и с уменьшением объема.
По принципу Ле-Шателье выход SO₃ должен увеличиваться с понижением температуры, так как реакция протекает с выделением тепла. Увеличение давления также способствует протеканию реакции слева направо вследствие того, что в левой части уравнения три объема, а в правой — два. Поэтому, чем давление в системе выше, тем чаще будут сталкиваться молекулы SO₂ и O₂ с образованием SO₃.
Увеличение температуры или понижение давления смещает равновесие реакции справа налево.
Следует иметь в виду, что процесс окисления SO₂ в SO₃ с достаточной скоростью протекает только в присутствии катализатора (V₂O₅, Ag₃VO₄ и др.).
В заводских условиях подбираются такие оптимальные условия, при которых достигается высокий процент контактирования и относительно высокая скорость процесса (например, 96%-ный выход при 440°).
По закону действия масс константа равновесия реакции равна
$K = \frac{C^2_{\mathrm{SO_2}} \cdot C_{\mathrm{O_2}}}{C^2_{\mathrm{SO_3}}}$, или $K = \frac{C^2_{\mathrm{SO_3}}}{C^2_{\mathrm{SO_2}} \cdot C_{\mathrm{O_2}}}$, или $K = \frac{[\mathrm{SO_3}]^2}{[\mathrm{SO_2}]^2\,[\mathrm{O_2}]}$,
где C — равновесные концентрации SO₂ и O₂ и SO₃ в газе, выраженные в грамм-молекулах на 1 л.
При увеличении концентрации SO₂ или O₂ увеличивается числитель, а чтобы K осталась постоянной, должен увеличиться знаменатель, т. е. произойдет смещение равновесия слева направо. Напротив, при увеличении концентрации SO₃, т. е. знаменателя, должен увеличиться числитель, чтобы по-прежнему K осталась постоянной, т. е. реакция пойдет справа налево.
Сущность рассматриваемой реакции заключается в перераспределении электронов: SO₂, являясь восстановителем, отдает два электрона (окисляется) и переходит в SO₃: SO₂ − 2e⁻ → SO₃ (реакция окисления); O₂ — являясь окислителем, принимает четыре электрона (восстанавливается) и превращается в 2O²⁻:
O₂ + 2e⁻ или 4e⁻ (по мнению редакции сайта) → 2O²⁻ (реакция восстановления)
Значение данной реакции исключительно велико: она лежит в основе контактного способа получения серной кислоты.

6. 1) При реакции хлорида железа (FeCl₃) с ферроцианидом калия K₄[Fe(CN)₆] образуется осадок берлинской лазури интенсивно синего цвета:
$4\mathrm{FeCl_3} + 3\mathrm{K_4}\overrightarrow{\mathrm{[Fe(CN)_6]} \rightleftarrows {\downarrow}\mathrm{Fe_4}}\mathrm{[Fe(CN)_6]_3} + 12\mathrm{KCl}$
4Fe³⁺ + 12Cl⁻ + 12K⁺ + 3[Fe(CN)₆]⁴⁻ ⇄ ↓Fe₄³⁺[Fe(CN)₆]₃⁴⁻ + 12K⁺ + 12Cl⁻
Берлинская лазурь нерастворима в воде, но растворима в щавелевой кислоте (синие чернила) и в концентрированной соляной кислоте.
Являясь солью трехвалентного железа и железистосинеродистоводородной кислоты, она ведет себя по отношению к едким щелочам аналогично другим солям трехвалентного железа, образуя гидроокись железа и основную соль железистосинеродистоводородной кислоты:
Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12KOH ⇄ ↓4Fe(OH)₃ + 3K₄[Fe(CN)₆]
Подкисление жидкости вызывает возникновение берлинской лазури.
На основании вышеизложенного можно сделать заключение, что необходимым условием для успешного проведения реакции является нейтральная среда, а еще лучше (во избежание гидролиза) несколько подкисленная. Однако слишком большое подкисление не рекомендуется, так как осадок при этом растворяется. В щелочной среде реакцию вести нельзя ввиду разрушения берлинской лазури.
Растворы желательно брать в стехиометрическом соотношении согласно приведенному уравнению (4 : 3), так как при избытке K₄[Fe(CN)₆] образуются растворимые соли:
4K₄[Fe(CN)₆] + 4FeCl₃ ⇄ 12KCl + 4KFe[Fe(CN)₆]
Сущность реакции заключается в образовании железной соли железистосинеродистой кислоты, или ферроцианида железа Fe₄³⁺[Fe²⁺(CN)₆⁻]₃⁴⁻ из находящихся в растворе ионов [Fe(CN)₆]⁴⁻ и Fe³⁺, сдвигающих равновесие слева направо:
$3\mathrm{[Fe(CN)_6]}^{4-}_{3} + 4\overrightarrow{\mathrm{Fe^{3+}} \rightleftarrows {\downarrow}\mathrm{Fe_4}}\mathrm{[Fe(CN)_6]_3}$
В технике берлинская лазурь применяется в качестве краски. В аналитической химии эта реакция используется для открытия иона трехвалентного железа.