Условие
Медь обработали концентрированной серной кислотой при нагревании. Запишите уравнение реакции, расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель. Объясните, почему медь не реагирует с разбавленной серной кислотой и какой газ выделился бы, если бы вместо меди взяли цинк.
Что известно и что ищем
- Известны реагенты и условие: концентрированная кислота, нагревание.
- Ищем уравнение, электронный баланс и сравнение с разбавленной кислотой.
- Ключ: в концентрированной кислоте окислителем работает сера, а не водород.
Ход решения
- Шаг 1. Расставляем степени окисления. Медь в простом веществе имеет ноль, в сульфате меди — плюс два. Сера в серной кислоте имеет плюс шесть и понижается до плюс четыре в оксиде серы(IV).
- Шаг 2. Составляем полуреакции. Медь отдаёт два электрона: Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺, это восстановитель. Сера принимает два электрона: S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴, это окислитель.
- Шаг 3. Уравниваем электроны. Отдано и принято по два электрона, значит коэффициенты перед медью и оксидом серы(IV) одинаковые.
- Шаг 4. Расставляем остальные коэффициенты. Меди и сульфата меди по одному. Сера есть и в продукте восстановления, и в соли, поэтому кислоты нужно две молекулы: одна сера уходит в оксид серы(IV), вторая — в сульфат. Водород из двух молекул кислоты даёт две молекулы воды.
- Шаг 5. Записываем уравнение и проверяем по атомам: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O. Меди по одному атому, серы по два, водорода по четыре, кислорода по восемь слева и по восемь справа (четыре в сульфате, два в оксиде и два в воде). Баланс сходится.
- Шаг 6. Отвечаем на дополнительный вопрос. Разбавленная кислота не окисляет медь, потому что окислителем в ней был бы ион водорода, а медь стоит в ряду напряжений правее водорода. В концентрированной кислоте роль окислителя берёт на себя сера, поэтому реакция идёт.
- Шаг 7. Обсуждаем цинк. Цинк стоит левее водорода, поэтому с разбавленной кислотой он дал бы водород, а с концентрированной — преимущественно оксид серы(IV). Это хороший пример того, что продукт зависит и от кислоты, и от металла.
Проверь себя
- Ответ: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O; восстановитель — медь, окислитель — серная кислота (точнее, сера в её составе); с разбавленной кислотой медь не реагирует.
- Проверка вывода: электронный баланс и баланс по атомам сходятся; из двух молекул кислоты только одна работает окислителем — это видно из коэффициентов.
- Ловушка: ждать выделения водорода при реакции меди с кислотой. Водород не выделяется ни с разбавленной, ни с концентрированной кислотой, потому что медь не окисляется ионом водорода.
Как объяснить ребёнку
«Серная кислота умеет быть «обычной» кислотой и «сильным окислителем» — это зависит от того, много ли в ней воды. В концентрированной воде почти нет, и тогда за электроны берётся сера. Она превращается в газ с резким запахом, а медь уходит в раствор. Поэтому одну и ту же кислоту нельзя считать всегда одинаковой».
Тема для отчёта родителю
«Концентрированная серная кислота как окислитель: почему медь реагирует без водорода».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.