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 Кр
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 КР = РСО = 1, то температуру, при которой будет соблюдаться это условие, можно определить из уравнения:
- 2,303RT lgKP = – Т·
Так как lgKP = 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
Znо – 2e = Zn+2 1
H+ + e = Hо 2
Zn + 2H+ = Zn+2 + 2Hо
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.
CuSO4(р) + Fe(к) < = > FeSO4(р) + Cu(к)
Записать выражение для константы равновесия
Дано: Уравнение реакции Кс - ? | РЕШЕНИЕ Записываем реакцию в ионно- молекулярном виде: |
Feo(к) + Cu2+(р) + SO <=> Fe2+(р) + SO + Cuo(к) – полное ионно-молекулярное уравнение
Cu2+(р) + Feo(к) < = > Fe2+(р) + Cuo(к) – сокращенное ионно-молекулярное уравнение
НОК ДМ
окис-ль Сu2+ + 2ē = Cu 1 = 0,34В (табл. 11.1)
восст-ль Feo - 2ē = Fe2+ 1 = -0,44В (табл. 11.1)
Cu2+ + Feo = Cuo + Fe2+ - стандартное напряжение этой реакции
εo = - ; εo = 0,34 - (-0,44) = 0,78В
Так как приведенная реакция является окислительно-восстановительной, то:
; = , где z - НОК
= = 1026
Ответ: Кс = 1026. Высокое значение Кс 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:
Alo + HCl = Al+3Cl3 + H ↑ (12.17)
НОК ДМ ДМ
Alo - 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+ + 6Hо
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%.
КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
УРОВЕНЬ А
1. Определить заряд комплексного иона, степень окисления и координационное число комплексообразователя в каждом из соединениях K4[Mo(CN)8], [PtCl4(NH3)2].