Получение и химические свойства металлов

УРОВЕНЬ А

1. Используя справочные данные по и , определить температурную границу возможного технического использования карботермического процесса: PbO_(к) + C_(к) < = > Pb_(к) + CO_(г)

Записать выражение для константы равновесия К_р

Дано: Уравнение реакции	РЕШЕНИЕ: Приведенный процесс будет возможен, когда равновесное давление оксида углерода (II) будет равно наружному давлению или превышать его, т.е. РСО = 1
Т - ?

При равновесии = 0, тогда К_Р = Р_СО = 1, то температуру, при которой будет соблюдаться это условие, можно определить из уравнения:

- 2,303RT lgK_P = – Т·

Так как lgK_P = lg1 = 0, то 0 = ·1000 – Т ·

Откуда

где 1000 – коэффициент перевода кДж в Дж

и определим по первому следствию из закона Гесса. Подставим табличные данные в уравнение (12.1):

PbO_(к) + C_(к) < = > Pb_(к) + CO_(г) (12.1)

-219,3 0 0 -110,5

кДж/моль

66,1 5,7 64,9 197,5

Дж/мольК

= -110,5 – (-219,3) = 108,8 кДж

= 197,5 + 64,9 – 5,7 – 66,1 = 190,6 Дж/К

Ответ: процесс возможен при нагревании начиная с Т = 571К

При взаимодействии 7,27 г смеси, состоящей из оксида цинка с цинком, с водным раствором щелочи выделилось 1,12 л водорода (н.у.). Написать уравнения протекающих процессов. Вычислить массовую долю оксида цинка в смеси.

Дано: Смесь Zn и ZnO = 7,27 г Vо ( ) = 1,12 л - ?

РЕШЕНИЕ: = - ZnО + H2О + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4] (12.2) Znо+2 +2NaOH=Na2[Zn+2(OH)4] + (12.3)

НОК ДМ

Zn^о – 2e = Zn⁺² 1

H⁺ + e = H^о 2

Zn + 2H⁺ = Zn⁺² + 2H^о

Поскольку водород выделяется только при взаимодействии цинка с водным раствором щелочи, то массу цинка определяем из уравнения реакции (12.3):

Составляем пропорцию:

вытеснит 22,4 л Н₂

65,4 г Zn 22,4 л Н₂

1,12 л Н₂

где = 65,4 г/моль

=

= - = 7,27 – 3,27 = 4 г

Ответ: .

Используя значения стандартных электродных потенциалов, рассчитать константу равновесия в реакции цементации, протекающей при стандартных условиях.

CuSO_4(р) + Fe_(к) < = > FeSO_4(р) + Cu_(к)

Записать выражение для константы равновесия

Дано: Уравнение реакции Кс - ?

РЕШЕНИЕ Записываем реакцию в ионно- молекулярном виде:

Fe^o_(к) + Cu²⁺_(р) + SO <=> Fe²⁺_(р) + SO + Cu^o_(к) – полное ионно-молекулярное уравнение

Cu²⁺_(р) + Fe^o_(к) < = > Fe²⁺_(р) + Cu^o_(к) – сокращенное ионно-молекулярное уравнение

НОК ДМ

окис-ль Сu²⁺ + 2ē = Cu 1 = 0,34В (табл. 11.1)

восст-ль Fe^o - 2ē = Fe²⁺ 1 = -0,44В (табл. 11.1)

Cu²⁺ + Fe^o = Cu^o + Fe²⁺ - стандартное напряжение этой реакции

ε^o = - ; ε^o = 0,34 - (-0,44) = 0,78В

Так как приведенная реакция является окислительно-восстановительной, то:

; = , где z - НОК

= = 10²⁶

Ответ: К_с = 10²⁶. Высокое значение К_с свидетельствует о практически полном смещении равновесия вправо.

УРОВЕНЬ В

1. На 2 г смеси, состоящей из Fe, FeO, Fe₂O₃ подействовали хлороводородной кислотой. При этом выделилось 224 см³ (при н.у.) водорода, а при восстановлении 2 г исходной смеси до металла водородом получено 0,45 г воды. Определить состав исходной смеси (% масс.).

Дано: Mсмеси = 2 г	РЕШЕНИЕ: При взаимодействии смеси с хлороводородной кислотой протекают следующие реакции: FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O (12.4) Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O (12.5) Водород выделяется лишь за счет реакции: Fe + 2HCl = FeCl2 + H2↑ (12.6)
ω -? ω -? ω - ?

Cоставляем пропорцию для реакции (12.6):

вытесняет 0,224 л H₂

56 г Fe вытесняет 22,4 л Н₂

откуда

=

где

= 56 г/моль

Масса оксидов равна:

+ = 2 – 0,56 = 1,44 г

При восстановлении смеси FeO и Fe₂O₃ водородом протекают реакции

FeO + H₂ = Fe + H₂O (12.7)

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O (12.8)

Составляем пропорцию для уравнения (12.7)

- 72 г/моль - 18 г/моль

- -

Откуда = = 0,25

Составляем пропорцию для уравнения (12.8)

- 160 г/моль - 3·18 г/моль

- -

Откуда = = 0,337

По условию задачи

+ = 0,25 + 0,337 = 0,45 г

Составляем систему уравнений

+ = 1,44 г

0,25 + 0,337 = 0,45 г

Выражаем из первого уравнения

= 1,44 - и подставляем во второе уравнение

0,25·(1,44 - ) + 0,337 = 0,45 г

0,09 = 0,087

Откуда = 1,03 г, а = 1,44 – 1,03 = 0,41 г

Определяем состав исходной смеси:

=

=

=

Ответ: состав смеси: 28% - Fe, 20,5% - FeO, 51,5% - Fe₂O₃

2. Составить схему получения металлического кадмия из 10 г смеси оксидов CdO и ZnO. В качестве растворителя оксидов использовать разбавленную серную кислоту. Определить состав смеси (% мас.) и массу полученного кадмия, если в качестве восстановителя CdO использовали СО, а объем образовавшегося СО₂ составляет 300 см³ (н.у.)

Дано: M = 10 г V = 300 см3	РЕШЕНИЕ: Составляем схему разделения оксидов и записываем уравнения реакций по стадиям: 1. Растворение оксидов кадмия и цинка в H2SO4: CdO + H2SO4 = CdSO4 + H2O (12.9) ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O (12.10)
ω - ? ω - ? m - ?

2. Осаждение гидроксидов кадмия и цинка гидроксидом натрия при стехиометрическом соотношении солей и гидроксида натрия:

CdSO₄ + 2NaOH = Cd(OH)₂↓ + Na₂SO₄ (12.11)

ZnSO₄ + 2NaOH = Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄ (12.12)

3. Растворение амфотерного гидроксида цинка в избытке щелочи:

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄] (12.13)

избыток растворимая соль

Так как Na₂[Zn(OH)₄] - растворимая соль, то в осадке остается только гидроксид кадмия.

4. Отделение осадка Cd(OH)₂ от раствора фильтрацией, промывка, сушка.

5. Разложение осадка Cd(OH)₂ при нагревании:

Cd(OH)₂ СdO + H₂O↑ (12.14)

6. Восстановление CdO оксидом углерода (II) при нагревании:

CdO + CO Cd + CO₂ (12.15)

М - 22,4 л

m - V₀(СО₂)

откуда m = = 1,5 г

где М = 112,4 г/моль

Определяем содержание СdO в смеси по уравнению (12.16)

M ― M

m ― m

128,4г ― 112,4 г

m ― 1,5 г

где M = 128,4 г/моль,

откуда m = = 1,71 г

Определяем ω = = ·100 = 17,1%

ω = 100 – 17,1 = 82,9%

Ответ: состав смеси ZnO - 82,9%, CdO - 17,1%, m = 1,5 г.

3. При растворении 0,5 г алюминиевой бронзы, состоящей из меди и алюминия, в хлороводородной кислоте выделилось 43,56 см³ водорода, собранного над водой и измеренного при 300К и 740 мм рт. ст. Давление паров воды при 300К равно 26,74 мм рт. ст. Определить состав сплава (% мас.)

Дано: = 0,5 г HCl - растворитель V = 43,56 см3 Т = 300 К Р = 740 мм рт.ст. Р = 26,74 мм рт.ст.

РЕШЕНИЕ:

В соответствии со следствием из ряда стандартных электродных потенциалов металлов в хлороводородной кислоте могут растворяться только те металлы, у которых

< 0.

Определяем стандартные электродные потенциалы:

= + 0,34В,

= -1,67В

Следовательно, в хлороводородной кислоте из сплава будет растворяться только алюминий.

Уравнение реакции имеет вид:

Al^o + HCl = Al⁺³Cl₃ + H ↑ (12.17)

НОК ДМ ДМ

Al^o - 3e = Al⁺³ 1 2 ДМ удваиваем, т.к.

3 после реакции образуется

H⁺ + e = H ^о 3 6 четное число атомов

водорода

2Al + 6H⁺ = 2Al³⁺ + 6H^о

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑ (12.18)

Массу алюминия в сплаве можно рассчитываем по уравнению реакции (12.18):

2 - 3·22400 см³ Н₂

-

Откуда

(12.19)

где =27 г/моль

Объем водорода при н.у. ( ) рассчитываем по объединенному уравнению газового состояния:

Откуда: = =

=

где

Подставляя величину в формулу (12.19), получаем:

Рассчитываем содержание металлов в сплаве:

Ответ: состав сплава Al – 6%, Cu – 94%.