Номер 995, страница 159 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

995. *Твёрдое простое вещество X при нагревании растворяется в концентрированной серной кислоте. Продуктами этой реакции являются только два оксида, причём массовая доля кислорода в одном из них составляет 49,95 %. Составьте уравнение реакции X с серной кислотой.

Дано:

Вещество X – твердое простое вещество.

Реакция X с концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$) при нагревании.

Продукты реакции – только два оксида.

Массовая доля кислорода в одном из оксидов, $\omega(O) = 49,95\%$.

Найти:

Уравнение реакции X с серной кислотой.

Решение:

1. Определим, какой оксид образуется в реакции. Реакция простого вещества с концентрированной серной кислотой является окислительно-восстановительной. Серная кислота выступает в роли окислителя, при этом сера в степени окисления $+6$ восстанавливается. Типичным продуктом восстановления концентрированной серной кислоты является оксид серы(IV) – $SO_2$. Проверим, соответствует ли этот оксид условию о массовой доле кислорода. Молярная масса $SO_2$ равна $M(SO_2) = Ar(S) + 2 \cdot Ar(O) \approx 32 + 2 \cdot 16 = 64$ г/моль. Массовая доля кислорода в $SO_2$: $\omega(O) = \frac{2 \cdot Ar(O)}{M(SO_2)} = \frac{2 \cdot 16}{64} = 0,5$ или $50\%$. Используя более точные значения атомных масс ($Ar(S) \approx 32,065$ а.е.м., $Ar(O) \approx 15,999$ а.е.м.): $\omega(O) = \frac{2 \cdot 15,999}{32,065 + 2 \cdot 15,999} = \frac{31,998}{64,063} \approx 0,49949 \approx 49,95\%$. Это значение совпадает с данным в условии. Следовательно, один из продуктов реакции – это $SO_2$.

2. Определим простое вещество X. По условию, продуктами реакции являются *только* два оксида. Один из них – $SO_2$. В реакции также участвует водород из серной кислоты, который должен образовать соединение. В данных условиях таким соединением является вода ($H_2O$), которая также является оксидом (оксид водорода). Таким образом, два оксида, образующиеся в реакции, – это $SO_2$ и $H_2O$. Если бы вещество X было любым другим элементом (например, углеродом или медью), то в продуктах был бы еще и третий оксид (оксид X) или другое вещество (например, сульфат), что противоречило бы условию "только два оксида". Единственный случай, когда в продуктах образуются только $SO_2$ и $H_2O$, – это если само простое вещество X является серой ($S$). Сера – это твердое простое вещество.

3. Составим уравнение реакции. Вещество X – это сера, $S$. Реакция: $S + H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t} SO_2 + H_2O$. Это окислительно-восстановительная реакция. Расставим коэффициенты методом электронного баланса. Сера в простом веществе имеет степень окисления 0, а в серной кислоте +6. В продукте $SO_2$ степень окисления серы +4.

$S^0 - 4e^- \rightarrow S^{+4}$ | 1 (окисление)

$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4}$ | 2 (восстановление)

Суммируем полуреакции, чтобы уравнять число отданных и принятых электронов: $S^0 + 2S^{+6} \rightarrow S^{+4} + 2S^{+4}$ Или: $S^0 + 2S^{+6} \rightarrow 3S^{+4}$

Подставляем коэффициенты в уравнение реакции: $1S + 2H_2SO_4 \rightarrow 3SO_2 + H_2O$

Теперь уравняем атомы водорода и кислорода. Слева: 4 атома H, $2 \cdot 4 = 8$ атомов O. Справа: $3 \cdot 2 = 6$ атомов O. Для баланса нужно добавить 4 атома H и 2 атома O в правую часть, что соответствует 2 молекулам воды ($2H_2O$).

Итоговое уравнение реакции: $S + 2H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t} 3SO_2 + 2H_2O$

Проверка: Слева: S - 3, H - 4, O - 8. Справа: S - 3, H - 4, O - $3 \cdot 2 + 2 \cdot 1 = 8$. Баланс соблюден. Все условия задачи выполнены.

Ответ: $S + 2H_2SO_4(конц.) \rightarrow 3SO_2 + 2H_2O$