Растворы. дисперсные системы 5 страница

ΔG⁰ = – zFE⁰ = –2·96500(0,77 – 0,34) ·10^-3 = –82,99 кДж.

Реакция термодинамически возможна.

Пример 7.3. По значениям электродных потенциалов окисли-теля и восстановителя выясните, может ли хром применяться для восстановления ионов олова и бария из отработанных электролитов?

Р е ш е н и е

n

2Сr + 3SnCl₂ = 2CrCl₃ + 3Sn⁰

восст. окисл.

φ = –0,74 В; φ = –0,14 В.

Так как φ_окисл > φ_восст, реакция термодинамически возможна.

2Cr + 3Ba(NO₃)₂ = 3Ba⁰ + 2Cr(NO₃)₃

восст. окисл.

φ = –0,74 В; φ = –2,9 В.

Так как φ_окисл < φ_восст, реакция термодинамически невозможна.

Следовательно, хром может использоваться только для восстановления олова из раствора SnCl₂.

Пример 7.4. Для подготовки поверхности перед нанесением защитного покрытия требуется удалить оксиды металлов, образовавшиеся самопроизвольно или в результате термообработки. Исходя из кислотно-основного характера оксидов и приведенных данных рассчитайте, в каком из двух электролитов (H₂SO₄, KOH) оксид Fe₂O₃ может быть удален полностью. Концентрация электролитов 3 М, объем 1,5 л, масса оксида 200 г.

Р е ш е н и е

Оксид Fe₂O₃ обладает амфотерными свойствами и поэтому взаимодействует как с кислотами, так и с щелочами:

а) Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O.

Число молей H₂SO₄ : ;

число молей Fe₂O₃: по уравнению число молей Fe₂O₃ в 3 раза меньше число молей H₂SO₄: ;

молярная масса Fe₂O₃: = (55,8·2 + 16·3) = 159,6 г/моль;

масса Fe₂O₃:

б) Fe₂O₃ + 2KOH = 2KFeO₂ + H₂O.

Число молей КОН:

число молей Fe₂O₃: по уравнению число молей Fe₂O₃ в 2 раза меньше число молей КОН:

масса Fe₂O₃:

Таким образом, оксид Fe₂O₃ массой 200 г может быть полностью удален с поверхности как с использованием H₂SO₄, так и КОН, так как электролита хватает для стравливания гораздо большей массы Fe₂O₃.

Пример 7.5. С целью удаления дефектного покрытия, основную часть которого составляет железо, образец подвергается травлению в азотной кислоте в течение 15 мин. Рассчитайте, какой объем азотной кислоты потребуется для полного удаления покрытия. Площадь по-верхности образца 5 см², концентрация азотной кислоты 2 моль/л, скорость травления V_тр равна 0,112 г/см²·мин.

Р е ш е н и е

2 Fe + 8HNO₃ = 3Fe(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Масса железа, вступающего в реакцию, по уравнению равна 2·55,6 г. На 2 моля железа приходится 8 молей азотной кислоты.

2·55,6 г Fe реагирует с 8 молями HNO₃

х г Fe реагирует с 2 моль/л·V л HNO₃

(Масса Fe ) х = ;

Масса Fe = V_тр·t·S = 0,112 г/см²·мин·15 мин·5 см² = 8,4 г,

(Объем электролита HNO₃) V = .

Задачи

7.1. Для указанных металлов выпишите валентные электроны в нормальном и возбужденном состояниях, перечислите все возможные степени окисления, приведите формулы оксидов и гидроксидов для наиболее устойчивых степеней окисления, указав их окислительно-восстановительный и кислотно-основной характер.

Т а б л и ц а 7.1

Вариант	Металл	Вариант	Металл
	Ti	1’	Fe
	Pt	2’	Ru
	Zn	3’	Cr
	V	4’	Rb
	Ag	5’	In
	Ga	6’	Cd
	Cu	7’	Zr
	W	8’	Sn
	Al	9’	Hg
	Nb	10’	Mo
	Sr	11’	Re
	Ni	12’	Au
	Mn	13’	La
	Ba	14’	Pb
	Hf	15’	Cd

7.2. Запишите предполагаемое уравнение химической реакции взаимодействия металла с указанным электролитом. Уравняйте стехиометрические коэффициенты ионно-электронным методом. Рассчитайте ΔG химической реакции и сделайте вывод о ее термодинамической вероятности без учета перенапряжения.

Т а б л и ц а 7.2

Вариант	Металл	Электролит	Вариант	Металл	Электролит
	Cu	H2SO4, конц.	1’	Ti	HCl, pазб.
	Zn	H2SO4, pазб.	2’	V	H2SO4, конц.
	Al	NaOH	3’	Fe	NaOH
	Sn	H2SO4, конц.	4’	Ag	H2SO4, конц.
	Mg	H2O	5’	Sr	H2O
	Ni	HNO3, разб.	6’	Zn	H2SO4, конц.
	Ga	H2SO4, pазб.	7’	Fe	H2SO4, конц.
	Cr	HNO3, разб.	8’	Pb	H2SO4, конц.
	Ga	H2SO4, конц.	9’	Ag	HNO3, разб.
	Al	HNO3, конц.	10’	Sn	HCl, pазб.
	Pb	HNO3, разб.	11’	V	HNO3, разб.
	Ca	H2O	12’	Sr	H2SO4, pазб.
	Cr	H2SO4, pазб.	13’	Cu	HNO3, конц.
	Ga	NaOH	14’	Mg	HNO3, разб.
	Ni	H2SO4, конц.	15’	Ca	H2SO4, pазб.

7.3. По значениям электродных потенциалов окислителя и восстановителя выясните, может ли данный металл применяться для восстановления ионов металлов из отработанных электролитов.

Т а б л и ц а 7.3

Вари-ант	Металл	Электролит	Вари-ант	Металл	Электролит
	Fe	SnCl2, MnSO4	1’	Ca	LiCl, Co(NO3)2
	Zn	GaCl3,Ba(NO3)2	2’	Cr	FeCl2, MgCl2
	Mg	Ca(NO3)2, MnCl2	3’	Sn	In(NO3)3, Cd(NO3)2
	In	CuSO4, CrCl3	4’	Ag	Sr(NO3)2, CdCl3
	Co	FeSO4, PbCl2	5’	Fe	VCl2, Mn(NO3)2
	Ni	SnCl2, LiCl	6’	Sr	ZnSO4, NiSO4
	Cd	Co(NO3)2,Pb(NO3)2	7’	Al	MnCl2, LaCl3
	Cu	Ga(NO3)3, AgNO3	8’	Ti	Co(NO3)2, CrCl3
	Ba	FeCl2, Mg(NO3)2	9’	V	FeSO4, AlCl3
Окончание табл. 7.3
	Hg	InCl3, CuSO4	10’	Co	Ba(NO3)2, SnCl2
	Pb	LaCl3, Cu(NO3)2	11’	Mn	InCl3, MgCl2
	Sn	Cr2(SO4)3, AgNO3	12’	Pb	Sn(NO3)2, CuSO4
	Mn	BaCl2, GaCl3	13’	In	GaCl3, Pb(NO3)2
	Ga	PbCl2, In(NO3)3	14’	Al	SrCl2, V(NO3)2
	La	SnSO4, SrCl2	15’	Cr	Al(NO3)3, CdCl2

7.4. Для подготовки поверхности перед нанесением защитного покрытия требуется удалить оксиды металлов, образовавшиеся само-произвольно или в результате термообработки. Исходя из кислотно-основного характера оксидов и приведенных данных, рассчитайте, в каком из двух предлагаемых электролитов оксид может быть удален полностью. Концентрация электролитов 3 моль/л, объем 1,5 л, масса оксида 200 г.

Т а б л и ц а 7.4

Вариант	Оксид	Электролиты	Вариант	Оксид	Электролиты
	FeO	HNO3, NaOH	1’	TiO2	H2SO4, NaOH
	Al2O3	HCl, KOH	2’	SnO2	HNO3, KOH
	MnO3	H2SO4, NaOH	3’	CuO	H2SO4, KOH
	ZnO	H2SO4, NaOH	4’	PbO	HNO3, NaOH
	SnO	HNO3, KOH	5’	Nb2O5	HCl, NaOH
	PbO2	HCl, KOH	6’	CrO	H2SO4, KOH
	Cu2O	H2SO4, NaOH	7’	Mo2O3	H2SO4, KOH
	Fe2O3	HNO3, KOH	8’	ScO	HNO3, KOH
	MnO	HNO3, KOH	9’	Fe2O3	HCl, NaOH
	NiO	H2SO4, NaOH	10’	Nb2O5	H2SO4, NaOH
	V2O3	H2SO4, KOH	11’	MgO	HNO3, KOH
	MoO	HNO3, KOH	12’	Ru2O3	HNO3, NaOH
	Sc2O3	H2SO4, NaOH	13’	BaO	H2SO4, KOH
	CaO	HCl, NaOH	14’	Cr2O3	H2SO4, KOH
	CrO3	H2SO4, KOH	15’	Mn2O3	HNO3, NaOH

7.5. С целью удаления дефектного покрытия, основную часть которого составляет указанный металл, образец подвергается травлению в электролите. Рассчитайте, какой объем электролита потребуется для полного удаления покрытия. Площадь поверхности образца 5 см², концентрация электролита (с), время обработки (t) и скорость травления (V_тр) приведены в таблице. При записи уравнения химической реакции учтите концентрацию кислоты (концентрированная или разбавленная).

Т а б л и ц а 7.5

Вариант	Металл	Электролит	с, моль/л	t, мин	Vтр, г/см2·мин
	Cu	HNO3	1 (разб)		0,128
	Fe	HCl	5 (конц)		0,280
	Mg	H2SO4	4 (конц)		0,458
	Zn	HCl	0,5 (разб)		0,109
	Ti	HNO3	4,5 (конц)		0,130
	Ni	H2SO4	12 (конц)		0,590
	Co	HNO3	5,5 (конц)		0,074
	Cu	H2SO4	15 (конц)		0,320
	Zn	H2SO4	1,5 (разб)		0,392
	Sn	HNO3	1 (разб)		0,148
	Ni	HNO3	4,5 (конц)		0,113
	Fe	H2SO4	1,3 (разб)		0,112
	Al	HCl	1 (разб)		0,068
	Cd	HNO3	3,5 (конц)		0,262
	Ti	HNO3	20 (конц)		0,407
1’	Pb	HNO3	3,5 (конц)		0,310
2’	Co	H2SO4	17 (конц)	3,5	0,304
3’	Mg	HCl	1,3 (разб)		0,432
4’	Al	H2SO4	1,5 (разб)		0,108
5’	Cr	HNO3	8 (конц)		0,390
6’	Mn	H2SO4	10 (конц)		0,336
7’	Co	HCl	6 (конц)		0,094
8’	In	H2SO4	0,5 (разб)		0,382
9’	Sn	HNO3	5 (конц)		0,298
10’	Fe	HNO3	0,7 (разб)		0,400
11’	Al	HNO3	6 (конц)		0,420
12’	Cd	H2SO4	10 (конц)		0,300
13’	Pb	HNO3	0,5 (разб)		0,550
14’	Mg	H2SO4	7 (конц)		0,642
15’	Zn	HNO3	8 (конц)		0,228

7.6. Олово со свинцом образует легкоплавкую эвтектику «третник», являющуюся припоем при низкотемпературной пайке различных металлов. Рассчитайте, какой объем газа выделится при растворении 15 г припоя, содержащего 61 % Sn и 39 % Pb в концентрированной азотной кислоте при н.у., учитывая, что олово растворяется с образованием оловянной кислоты H₂SnO₃, а свинец образует нитратную соль.

7.7. Одним из методов очистки ртути от примесей является промывка в слабом растворе HNO₃. Ртуть в нем не растворяется, а примеси металлов переходят в ионное состояние. Рассчитайте, какой объем 0,5 моль/л раствора HNO₃ потребуется для очистки Hg(Zn) массой 10 г, если загрязненность цинком составляет 25 масс.%. Продуктом восстановления азотной кислоты считать N₂.

7.8. Для металлургии хром получают в виде сплава с железом (феррохром) восстановлением хромистого железняка углем в электрической печи. Рассчитайте, сколько Fe, Cr и CO получится при восстановлении 1 кг железняка.

7.9. Одним из методов получения гафния, который применяется в турбореактивных двигателях, ракетах, спутниках и высоковакуумной технике, является восстановление гексафторгафниата (IV) калия натрием при нагревании по реакции:

K₂[HfF₆] + 4 Na = Hf + 2 KF + 4 NaF.

Рассчитайте массу фторидов калия и натрия, образующихся при получении 1 кг гафния.

7.10. При взаимодействии ниобия со фтором и последующим растворением полученного пентафторида во фториде калия получается комплексная соль гексафторониобата калия. Рассчитайте массу комплексной соли, которая может быть получена из 20 г Nb.

7.11. Карбид натрия Na₂C₂ получается при непосредственном взаимодействии металла с углеродом и далее разлагается водой с выделением гидроксида металла и углеводорода. Напишите уравнения химических реакций и рассчитайте массу натрия, если в результате взаимодействия получено 11,2 л С₂Н₂.

7.12. Основным природным минералом марганца является пиролюзит MnO₂. Рассчитайте, сколько марганца образуется при восстановлении его из 1 кг MnO₂ методом кремнийтермии.

7.13. Ванадий взаимодействует при сплавлении со щелочами в присутствии окислителей (например, О₂, Н₂О₂ и др.) с образованием анионного оксикомплекса [VO₄]^3-. Рассчитайте, сколько кислорода необходимо израсходовать для полного сплавления 5 г ванадия с КОН.

7.14. Рений, который входит в состав жаростойких покрытий и используется в электротехнической промышленности, обычно выделяют нагреванием NH₄ReO₄ в токе водорода. Рассчитайте, какое количество рения и азота можно получить из 1,5 кг рениевокислого аммония.

7.15. Гафний относительно легко растворяется в царской водке (смеси соляной и азотной кислот) с образованием комплексного соединения Н₂[HfCl₆]. Рассчитайте объем оксида азота (II), который выделится при полном растворении 15 г Hf.

7.16. В процессе отделения самородного золота от пустой породы одной из операций является его вытеснение из цианистых электролитов цинком по реакции

2Na[Au(CN)₂] + Zn = Na₂[Zn(CN)₄] + 2Au .

Рассчитайте массу золота, которая может быть получена из 2 л 0,3 моль/л раствора дицианоаурата (I) натрия.

7.17. Рутений в виде компактного металла устойчив по отношению к кислотам и их смесям, но разрушается при сплавлении со щелочами в присутствии кислорода. Рассчитайте, какое количество Na₂RuO₄ образуется при полном сплавлении 20 г Ru с гидроксидом натрия и какой объем водяного пара при этом выделяется.

7.18. Платина (подобно золоту) растворяется лишь в царской водке (смеси азотной и соляной кислот). Рассчитайте, какой объем (н.у.) оксида азота (II) выделится при растворении 10 г Pt в смеси указанных кислот.

7.19. Исходя из характера изменения радиуса атомов и восстановительной активности металлов объясните, как изменяются окислительные свойства гексафторидов в ряду от WF₆ до PtF₆.

7.20. 12 % хромистая нержавеющая сталь марки ЭИ-961 с малым содержанием никеля применяется для изготовления дисков, лопаток, пружин сжатия и других деталей, работающих в условиях нагрева до 600 ^оС и повышенной влажности. Рассчитайте массовое содержание элементов в 1 кг такой стали, если ее процентный состав: С – 0,15; Mn – 11; Ni – 12; W – 20; V – 0,20; Mo – 0,50; остальное Fe.

7.21. Пирометаллургический процесс извлечения меди из сернистых руд типа медного колчедана выражается следующей суммарной реакцией:

2CuFeS₂ + 5O₂ + 2SiO₂ = 2Cu + 2FeSiO₃ + 4SO₂.

Сколько меди можно получить из 1 т колчедана, если пустая порода составляет 28 %?

7.22. Одним из методов получения кадмия, используемого для изготовления фотоячеек, подшипников в автомобильной промыш-ленности и других целей, является восстановление его углеродом при нагревании. Рассчитайте, какая масса кадмия может быть получена из 100 кг оксида кадмия и сколько литров двуокоси углерода при этом выделится?

7.23. Оксиды f-металлов в основном являются тугоплавкими и применяются в качестве добавок в огнеупорные материалы. Рассчитайте массу СеО₂, которая может быть получена при окислении 40 г церия в токе кислорода.

7.24. Соединения хрома со степенью окисления 2+ неустойчивы и, являясь сильными восстановителями, легко окисляются до Cr³⁺.

Напишите уравнение химической реакции и рассчитайте массу соли Cr(OH)Cl₂, которая образуется при взаимодействии соли CrCl₂ с 5 молями кислорода, содержащимися в воде.

7.25. Карбонат железа растворяется в воде, содержащей двуокись углерода, благодаря образованию растворимого бикарбоната железа Fe(HCO₃)₂, который на воздухе превращается в Fe(OH)₃. Учитывая это свойство, бутылки с минеральной водой, содержащей карбонаты железа, заполняются до отказа, чтобы исключить образование осадка Fe(OH)₃. Запишите, какие реакции возможны в данном случае.

7.26. Какую массу металлического иридия можно получить и какой объем газа SO₂ выделяется при нагревании в присутствии кислорода 40 г сульфида Ir₂S₃ с последующим термическим разложением полученного оксида иридия (III)?

7.27. Лантаноиды активно взаимодействуют с водой и слабо пассивируются гидроксидными пленками. Рассчитайте, какой объем водорода выделится, если реакции подвергается 45 г гадолиния.

7.28. Оцените и объясните изменение прочности оксидов марганца по значениям теплот образования (-ΔН кДж/моль)

оксиды MnO Mn₂O₃ MnO₂ Mn₂O₇

- ΔН 389,53 973,6 524,67 690,4.

7.29. Для обезвоживания используется способность циркония разлагать воду при повышенных температурах с образованием оксида и гидроксида циркония (IV). Рассчитайте объем паров воды, который может быть уловлен при пропускании влажного газа через циркониевую сетку, если в реакцию вступает при этом 150 г поверхностного слоя Zr. Расчет ведите для н.у.

7.30. Какое количество металлического иридия, парообразных хлорида аммония и хлора может быть получено при термическом разложении 200 г комплексной соли (NH₄)₂[IrCl₆]?

7.31. При действии смеси СО₂ и Н₂ на порошкообразный металлический марганец образуется MnO и Mn₃C. Рассчитайте, какое количество марганца вступает в реакцию, если в результате реакции выделяется 80 г MnO.

7.32. При нагревании без доступа воздуха 45 г металлического висмута с селеном получен селенид трехвалентного висмута Bi₂Se₃, который обладает фотоэлектрическими свойствами. При последующем окислении в кислороде образовалось 25 г SeO₂. Рассчитайте, какая доля висмута подверглась окислению.

7.33. При температуре выше 700 ^оС двуокись углерода окисляет молибден до трехокиси молибдена. Рассчитайте, какое количество МоО₃ и СО образуется в результате окисления 120 г молибдена.

7.34. Одним из методов получения металлического хрома является кремнийтермическое восстановление оксида хрома (III) в присутствии СаО. Рассчитайте, какое количество кремния понадобится для восстановления 20 г хрома и сколько совместно с ним образуется СаSiО₃.

7.35. Серебристо-белый порошок технеция, который является парамагнитным и тугоплавким металлом, получается искусственным путем: восстановлением при нагревании до 600 ^оС оксидов и сульфидов водородом в платиновой (или серебряной) лодочке, помещенной в трубку из тугоплавкого стекла. Рассчитайте, какое количество водорода потребуется для полного восстановления технеция из 120 г смеси порошков Тс₂О₇, ТсО₂ и Тс₂S₇, в которой массовое соотношение компонентов составляет 1:2:3.