Номер 2, страница 220 - гдз по химии 8 класс учебник Шиманович, Красицкий

2. Какие окислительно-восстановительные реакции используются в промышленности?

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) лежат в основе множества важнейших промышленных процессов, от производства металлов и химикатов до выработки энергии и защиты окружающей среды. Вот некоторые из наиболее значимых примеров.

1. Металлургия

Металлургия — это отрасль, практически полностью основанная на окислительно-восстановительных процессах, в которых металлы в положительной степени окисления, содержащиеся в рудах, восстанавливаются до свободных металлов.

Производство чугуна (доменный процесс)

В доменной печи железную руду (в основном оксид железа(III), $Fe_2O_3$) восстанавливают до железа с помощью кокса (углерода). Основным восстановителем выступает угарный газ ($CO$), который образуется при неполном сгорании кокса.

Основная реакция восстановления:

$Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2$

Здесь железо восстанавливается, а углерод окисляется:

• $Fe^{+3} + 3e^- \rightarrow Fe^0$ (восстановление)
• $C^{+2} - 2e^- \rightarrow C^{+4}$ (окисление)

Окислитель: $Fe_2O_3$ (за счет $Fe^{+3}$). Восстановитель: $CO$ (за счет $C^{+2}$).

Ответ: доменный процесс, основанный на восстановлении железа из оксидов угарным газом, является основным способом получения чугуна, из которого затем производят сталь.

Производство алюминия (процесс Холла-Эру)

Алюминий получают электролизом оксида алюминия ($Al_2O_3$), растворенного в расплаве криолита ($Na_3AlF_6$). Электрический ток выступает в роли источника энергии, заставляя протекать ОВР.

Суммарное уравнение реакции:

$2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{электролиз}} 4Al + 3O_2$

Процессы на электродах:

• На катоде (восстановление): $Al^{+3} + 3e^- \rightarrow Al^0$
• На аноде (окисление): $2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2$

Окислитель: ионы $Al^{+3}$. Восстановитель: ионы $O^{-2}$.

Ответ: электролиз расплава оксида алюминия в криолите, являющийся принудительной ОВР, — это основной промышленный метод получения алюминия.

2. Химическая промышленность

Производство важнейших неорганических и органических веществ включает в себя ключевые стадии, являющиеся ОВР.

Синтез аммиака (процесс Габера-Боша)

Производство аммиака из атмосферного азота и водорода — основа для создания азотных удобрений.

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

• $N_2^0 + 6e^- \rightarrow 2N^{-3}$ (восстановление)
• $H_2^0 - 2e^- \rightarrow 2H^{+1}$ (окисление)

Окислитель: азот ($N_2$). Восстановитель: водород ($H_2$).

Ответ: синтез аммиака из азота и водорода является ключевой ОВР в производстве азотных удобрений и многих других азотсодержащих соединений.

Производство серной кислоты (контактный метод)

Ключевой стадией в производстве серной кислоты является каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы.

$2SO_2 + O_2 \xrightarrow{V_2O_5, t} 2SO_3$

• $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ (восстановление)
• $S^{+4} - 2e^- \rightarrow S^{+6}$ (окисление)

Окислитель: кислород ($O_2$). Восстановитель: диоксид серы ($SO_2$).

Ответ: каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы — это центральная ОВР в производстве серной кислоты, одного из самых многотоннажных продуктов химической промышленности.

Производство азотной кислоты (процесс Оствальда)

Первая и основная стадия получения азотной кислоты — каталитическое окисление аммиака.

$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt/Rh, t} 4NO + 6H_2O$

• $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ (восстановление)
• $N^{-3} - 5e^- \rightarrow N^{+2}$ (окисление)

Окислитель: кислород ($O_2$). Восстановитель: аммиак ($NH_3$).

Ответ: каталитическое окисление аммиака является первой и важнейшей ОВР в процессе получения азотной кислоты, используемой для производства удобрений, взрывчатых веществ и красителей.

3. Энергетика

Горение топлива

Выработка практически всей тепловой и электрической энергии на планете основана на реакциях горения — быстро протекающих ОВР с выделением большого количества тепла.

Пример (горение природного газа): $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Окислитель: кислород ($O_2$). Восстановитель: метан ($CH_4$).

Ответ: горение ископаемого топлива — это ОВР, являющаяся основным источником тепловой и электрической энергии в мире.

Работа гальванических элементов и аккумуляторов

Все батареи и аккумуляторы работают за счет энергии ОВР, в которых окисление и восстановление пространственно разделены, что позволяет получить электрический ток.

Пример (цинково-медный элемент): $Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$

• На аноде (окисление): $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$
• На катоде (восстановление): $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

Ответ: работа гальванических элементов и аккумуляторов основана на пространственно разделенных процессах окисления и восстановления, преобразующих химическую энергию в электрическую.