Определить направление реакции между сульфидом свинца PbS и разбавленной азотной кислотой

Хорошо, давайте определим направление реакции между сульфидом свинца (PbS) и разбавленной азотной кислотой (HNO₃), используя стандартные окислительно-восстановительные потенциалы, и напишем уравнение ОВР.

1. Анализ возможных процессов

Взаимодействие PbS с разбавленной HNO₃ является окислительно-восстановительной реакцией, где:

PbS может выступать восстановителем, окисляясь. Возможные продукты окисления:
Pb²⁺ (ион свинца) и S (сера)
Pb²⁺ и SO₄²⁻ (сульфат-ион)
HNO₃ может выступать окислителем, восстанавливаясь. Возможные продукты восстановления (при использовании разбавленной HNO₃):
NO (оксид азота (II))
NO₂ (диоксид азота)
N₂O (оксид азота (I))
N₂ (азот)
NH₄⁺ (ион аммония) - для очень разбавленной HNO₃
Для определения направления реакции, нам понадобятся стандартные окислительно-восстановительные потенциалы для соответствующих пар.

2. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы (приблизительные значения, могут отличаться в зависимости от источника):

PbS → Pb²⁺ + S + 2e⁻ E° ≈ -0.28 В (может варьироваться в зависимости от источника, обычно считается более отрицательным)
S + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂S E° = +0.14 В
SO₄²⁻ + 8H⁺ + 8e⁻ → S + 4H₂O E°= +0.36 В
NO₃⁻ + 4H⁺ + 3e⁻ → NO + 2H₂O E° = +0.96 В
NO₃⁻ + 2H⁺ + e⁻ → NO₂ + H₂O E° = +0.80 В
2NO₃⁻ + 10H⁺ + 8e⁻ → N₂O + 5H₂O E°=+1.14 В
2NO₃⁻ + 12H⁺ + 10e⁻ → N₂ + 6H₂O E°=+1.25 В
NO₃⁻ + 10H⁺ + 8e⁻ → NH₄⁺ + 3H₂O E° = +0.88 В
3. Определение направления реакции

Для реакции самопроизвольного протекания необходимо, чтобы разница потенциалов (ЭДС) была положительной. ЭДС рассчитывается как E°(окислителя) - E°(восстановителя).

Поскольку мы имеем дело с разбавленной азотной кислотой, наиболее вероятным продуктом ее восстановления является NO. Сравним потенциалы для этой пары. Мы должны сравнить потенциал PbS -> Pb2+ + S и потенциал NO₃⁻ + 4H⁺ + 3e⁻ → NO + 2H₂O . Как видно, потенциал PbS -> Pb2+ + S очень низкий. Выберем в качестве продукта окисления PbS -> Pb2+ + SO4(2-) , потенциал которого будет в пределах +0.36 В. E°(окислителя) - E°(восстановителя) = (+0.96 В) - (+0.36 В) = +0.6 В

Реакция будет идти, так как разность потенциалов положительная.

4. Написание уравнения ОВР

Окисление: Чтобы получить сульфат, сера должна отдать 8 электронов. PbS + 4H₂O - 8e⁻ → Pb²⁺ + SO₄²⁻ + 8H⁺
Восстановление: Азотная кислота восстанавливается до NO, принимая 3 электрона NO₃⁻ + 4H⁺ + 3e⁻ → NO + 2H₂O
Уравняем количество электронов: Умножаем первое уравнение на 3, а второе на 8 3PbS + 12H₂O - 24e⁻ → 3Pb²⁺ + 3SO₄²⁻ + 24H⁺ 8NO₃⁻ + 32H⁺ + 24e⁻ → 8NO + 16H₂O
Суммируем и сокращаем: 3PbS + 8NO₃⁻ + 20H⁺ → 3Pb²⁺ + 3SO₄²⁻ + 8NO + 10H₂O
Баланс зарядов: 3PbS + 8HNO₃ + 4H⁺ → 3Pb²⁺ + 3SO₄²⁻ + 8NO + 4H₂O + 6H⁺ = 3PbSO₄ + 8NO + 4H₂O
Уточненное уравнение реакции:

3PbS + 8HNO₃ (разб.) → 3PbSO₄ + 8NO + 4H₂O + S

Вывод: Сульфид свинца (PbS) будет окисляться разбавленной азотной кислотой до сульфата свинца (PbSO₄) с выделением NO и серы, поскольку это энергетически выгодно.