Страница 234 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

8.56. Почему алюминий не удаётся восстановить из оксида: а) водородом; б) углём?

Основная причина, по которой алюминий не удается восстановить из его оксида ($Al_2O_3$) ни водородом, ни углём, заключается в высокой химической активности самого алюминия и, как следствие, в чрезвычайной прочности и термодинамической стабильности его оксида.

Способность элемента выступать в качестве восстановителя для оксида металла определяется их взаимной химической активностью. В электрохимическом ряду активности металлов алюминий ($Al$) стоит значительно левее водорода ($H_2$). Это указывает на то, что алюминий — гораздо более активный восстановитель, чем водород, и его сродство к кислороду намного выше.

Оксид алюминия ($Al_2O_3$) — это одно из самых прочных оксидных соединений. Гипотетическая реакция его восстановления водородом: $Al_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2Al + 3H_2O$

Для того чтобы эта реакция пошла, водород должен был бы отнять кислород у алюминия. Однако из-за большей активности алюминия равновесие этой реакции сильно смещено влево, то есть в сторону образования оксида алюминия. С точки зрения термодинамики, изменение энергии Гиббса ($\Delta G$) для этой реакции имеет большое положительное значение, что свидетельствует о её неспособности к самопроизвольному протеканию даже при сильном нагревании.

Ответ: Водород является менее активным элементом по сравнению с алюминием и не способен восстановить его из очень прочного оксида $Al_2O_3$.

Подобно водороду, углерод ($C$) также является менее активным элементом, чем алюминий. Карботермия (восстановление углём) эффективна для металлов средней и низкой активности (например, железа, цинка, свинца, меди), которые в ряду активности расположены правее алюминия.

Возможные реакции восстановления оксида алюминия углём: $2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$ $Al_2O_3 + 3C \rightarrow 2Al + 3CO$

Эти реакции термодинамически невыгодны и требуют для своего протекания экстремально высоких температур — свыше 2000 °C. Однако при таких температурах процесс становится практически нереализуемым, поскольку расплавленный алюминий начинает активно реагировать с углеродом, образуя тугоплавкий и химически стойкий карбид алюминия ($Al_4C_3$), что загрязняет продукт и делает метод неэффективным. Из-за этих трудностей в промышленности для получения алюминия применяют не химическое восстановление, а электролиз оксида алюминия в расплаве криолита (процесс Холла-Эру).

Ответ: Углерод — менее активный элемент, чем алюминий, поэтому для восстановления $Al_2O_3$ требуются очень высокие температуры, при которых, однако, образуется побочный продукт — карбид алюминия ($Al_4C_3$), что делает процесс нецелесообразным.

8.57. Как из сульфата алюминия получить нитрат алюминия, а из нитрата алюминия – сульфат алюминия? Запишите уравнения реакций.

Как из сульфата алюминия получить нитрат алюминия

Решение

Для осуществления данного превращения необходимо провести последовательность из двух химических реакций. Это связано с тем, что обе соли, сульфат алюминия и нитрат алюминия, хорошо растворимы в воде. Поэтому для смены аниона (кислотного остатка) удобно использовать промежуточную стадию получения нерастворимого соединения — гидроксида алюминия.

1. Сначала получим гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$), действуя на раствор сульфата алюминия ($Al_2(SO_4)_3$) раствором щёлочи, например, гидроксидом натрия ($NaOH$). В результате реакции обмена выпадает белый студенистый осадок гидроксида алюминия. Важно добавлять щёлочь порциями, не допуская её избытка, так как гидроксид алюминия является амфотерным и может раствориться в избытке сильной щёлочи.

Уравнение реакции:

$Al_2(SO_4)_3 + 6NaOH \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3Na_2SO_4$

2. Затем полученный осадок гидроксида алюминия отделяют от раствора (например, фильтрованием), промывают и обрабатывают азотной кислотой ($HNO_3$). Гидроксид алюминия реагирует с кислотой (реакция нейтрализации) с образованием соли — нитрата алюминия — и воды.

Уравнение реакции:

$Al(OH)_3 + 3HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + 3H_2O$

Ответ:

1. $Al_2(SO_4)_3 + 6NaOH \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3Na_2SO_4$

2. $Al(OH)_3 + 3HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + 3H_2O$

а из нитрата алюминия — сульфат алюминия

Решение

Это превращение можно осуществить по аналогичной схеме, также в две стадии через получение гидроксида алюминия.

1. К раствору нитрата алюминия ($Al(NO_3)_3$) добавляем раствор щёлочи (например, $NaOH$ или раствор аммиака $NH_3 \cdot H_2O$) для осаждения гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$).

Уравнение реакции:

$Al(NO_3)_3 + 3NaOH \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3NaNO_3$

2. Полученный осадок гидроксида алюминия $Al(OH)_3$ отделяют, промывают и растворяют в серной кислоте ($H_2SO_4$). В результате реакции образуется сульфат алюминия и вода.

Уравнение реакции:

$2Al(OH)_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 6H_2O$

Ответ:

1. $Al(NO_3)_3 + 3NaOH \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3NaNO_3$

2. $2Al(OH)_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 6H_2O$

8.58. Что будет наблюдаться при постепенном приливании раствора сульфата алюминия к раствору гидроксида натрия? Опишите наблюдения и запишите уравнения реакций.

При постепенном приливании раствора сульфата алюминия ($Al_2(SO_4)_3$) к раствору гидроксида натрия ($NaOH$) будет происходить двухстадийный химический процесс. Это связано с тем, что гидроксид алюминия $Al(OH)_3$, образующийся в ходе реакции, является амфотерным, то есть способным реагировать как с кислотами, так и с щелочами. Так как раствор сульфата алюминия приливается к раствору гидроксида натрия, то в начальный момент времени щелочь ($NaOH$) находится в избытке.

Описание наблюдений

На первом этапе, пока в реакционной смеси присутствует избыток гидроксида натрия, видимых изменений наблюдаться не будет. Раствор будет оставаться прозрачным. Это объясняется тем, что образующийся в результате реакции обмена гидроксид алюминия тут же растворяется в избытке щелочи.

На втором этапе, когда весь исходный гидроксид натрия прореагирует, дальнейшее добавление сульфата алюминия приведет к образованию белого студенистого (гелеобразного) осадка. Количество этого осадка будет увеличиваться по мере добавления новых порций сульфата алюминия.

Уравнения реакций

1. Первая стадия (в избытке $NaOH$). Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя растворимый комплексный солью — тетрагидроксоалюминат натрия. Осадок не выпадает. Суммарное уравнение:

$Al_2(SO_4)_3 + 8NaOH \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3Na_2SO_4$

2. Вторая стадия (после того, как вся щелочь прореагировала). Добавляемый сульфат алюминия реагирует с образовавшимся ранее тетрагидроксоалюминатом натрия, в результате чего выпадает осадок гидроксида алюминия:

$Al_2(SO_4)_3 + 6Na[Al(OH)_4] \rightarrow 8Al(OH)_3 \downarrow + 3Na_2SO_4$

Ответ: При постепенном приливании раствора сульфата алюминия к раствору гидроксида натрия сначала никаких видимых изменений не происходит (раствор остается прозрачным), а затем начинает выпадать белый студенистый осадок. Процесс описывается следующими уравнениями: $Al_2(SO_4)_3 + 8NaOH \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3Na_2SO_4$; затем $Al_2(SO_4)_3 + 6Na[Al(OH)_4] \rightarrow 8Al(OH)_3 \downarrow + 3Na_2SO_4$.

8.59. Что будет наблюдаться при постепенном приливании раствора гидроксида натрия к раствору сульфата алюминия? Опишите наблюдения и запишите уравнения реакций.

При постепенном приливании раствора гидроксида натрия ($NaOH$) к раствору сульфата алюминия ($Al_2(SO_4)_3$) будет наблюдаться двухстадийный процесс, обусловленный амфотерными свойствами гидроксида алюминия.

Стадия 1: Образование осадка

Вначале, при добавлении первых порций раствора гидроксида натрия, происходит реакция ионного обмена. В результате образуется нерастворимое в воде вещество — гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$). Визуально это наблюдается как выпадение белого студенистого (гелеобразного) осадка.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$Al_2(SO_4)_3 + 6NaOH \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3Na_2SO_4$

Сокращенное ионное уравнение этой реакции:

$Al^{3+} + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3\downarrow$

Стадия 2: Растворение осадка

Гидроксид алюминия является амфотерным соединением, что означает его способность реагировать как с кислотами, так и с сильными основаниями (щелочами). Поэтому при дальнейшем добавлении избыточного количества раствора гидроксида натрия образовавшийся осадок $Al(OH)_3$ начинает растворяться. Это происходит за счет образования растворимой комплексной соли — тетрагидроксоалюмината натрия. В результате раствор снова становится прозрачным и бесцветным.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

Сокращенное ионное уравнение этой реакции:

$Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-$

Ответ: При постепенном приливании раствора гидроксида натрия к раствору сульфата алюминия сначала наблюдается выпадение белого студенистого осадка. При дальнейшем добавлении избытка раствора гидроксида натрия этот осадок растворяется, и раствор становится прозрачным.
Уравнения реакций:
1) $Al_2(SO_4)_3 + 6NaOH \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3Na_2SO_4$
2) $Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

8.60. При нагревании в запаянной ампуле безводного хлорида алюминия с порошком алюминия образуется хлорид алюминия(I). При попадании в воду это вещество превращается в алюминий и хлорид алюминия(III). Запишите уравнения реакций.

Решение

В задаче описаны два последовательных химических процесса.

1. Реакция между безводным хлоридом алюминия(III) и металлическим алюминием при нагревании. Это реакция сопропорционирования, в ходе которой алюминий из степеней окисления +3 (в $AlCl_3$) и 0 (в $Al$) переходит в промежуточную степень окисления +1, образуя хлорид алюминия(I) ($AlCl$). Условия "в запаянной ампуле" и "нагревание" указывают на то, что реакция протекает при высокой температуре в замкнутой системе. Уравнение реакции:

$AlCl_3 + 2Al \xrightarrow{t} 3AlCl$

2. Реакция полученного хлорида алюминия(I) с водой. При контакте с водой хлорид алюминия(I) является неустойчивым и подвергается реакции диспропорционирования. В этой реакции алюминий со степенью окисления +1 одновременно и окисляется до степени окисления +3 (в составе $AlCl_3$), и восстанавливается до степени окисления 0 (образуя металлический алюминий $Al$). Вода выступает в качестве среды для протекания этой реакции. Уравнение реакции:

$3AlCl \xrightarrow{H_2O} 2Al \downarrow + AlCl_3$

Ответ:

$AlCl_3 + 2Al \xrightarrow{t} 3AlCl$

$3AlCl \xrightarrow{H_2O} 2Al + AlCl_3$

8.61. Почему сульфид алюминия на влажном воздухе имеет запах тухлых яиц? Запишите уравнение реакции.

Сульфид алюминия ($Al_2S_3$) на влажном воздухе имеет запах тухлых яиц, потому что он вступает в реакцию необратимого гидролиза с водой (водяными парами), содержащейся в воздухе.

Сульфид алюминия — это соль, образованная слабым основанием (гидроксидом алюминия, $Al(OH)_3$) и слабой кислотой (сероводородной кислотой, $H_2S$). При взаимодействии с водой такие соли подвергаются полному гидролизу. В результате этой реакции образуется гидроксид алюминия и выделяется сероводород ($H_2S$) — бесцветный газ с характерным резким запахом тухлых яиц. Именно выделение сероводорода и обуславливает этот запах.

Уравнение реакции:

$Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$

Ответ: Запах тухлых яиц появляется из-за выделения газообразного сероводорода ($H_2S$) в результате реакции гидролиза сульфида алюминия с влагой из воздуха. Уравнение реакции: $Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$.

8.62. Определите массовые доли (в %) сульфида калия и сульфида алюминия в смеси, если при обработке 20 г этой смеси водой выделился газ, который полностью прореагировал с 480 г 10%-го раствора сульфата меди(II).

Дано:
Масса смеси ($K_2S$ и $Al_2S_3$): $m_{смеси} = 20 \text{ г}$
Масса раствора сульфата меди(II): $m_{р-ра(CuSO_4)} = 480 \text{ г}$
Массовая доля сульфата меди(II) в растворе: $\omega(CuSO_4) = 10\% = 0.1$

Найти:
Массовую долю сульфида калия: $\omega(K_2S) - ?$
Массовую долю сульфида алюминия: $\omega(Al_2S_3) - ?$

Решение:
При обработке смеси водой происходит реакция полного гидролиза сульфида алюминия с выделением сероводорода. Сульфид калия в этих условиях также может гидролизоваться, но эта реакция обратима, и в рамках данной задачи мы считаем, что весь выделившийся газ образовался только за счет реакции сульфида алюминия.

1. Уравнение реакции гидролиза сульфида алюминия:
$Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$

2. Уравнение реакции выделившегося сероводорода с сульфатом меди(II):
$H_2S + CuSO_4 \rightarrow CuS \downarrow + H_2SO_4$

3. Рассчитаем массу чистого сульфата меди(II) в 480 г 10%-го раствора:
$m(CuSO_4) = m_{р-ра(CuSO_4)} \cdot \omega(CuSO_4) = 480 \text{ г} \cdot 0.1 = 48 \text{ г}$

4. Найдем количество вещества $CuSO_4$. Молярная масса $CuSO_4$ равна:
$M(CuSO_4) = 64 + 32 + 4 \cdot 16 = 160 \text{ г/моль}$
$n(CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4)}{M(CuSO_4)} = \frac{48 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0.3 \text{ моль}$

5. По уравнению реакции (2) видно, что $n(H_2S) = n(CuSO_4)$, так как стехиометрические коэффициенты равны 1.
$n(H_2S) = 0.3 \text{ моль}$

6. Теперь по уравнению реакции (1) найдем количество вещества $Al_2S_3$, которое прореагировало для образования 0.3 моль $H_2S$. Соотношение $n(Al_2S_3) : n(H_2S)$ равно 1:3.
$n(Al_2S_3) = \frac{1}{3} n(H_2S) = \frac{1}{3} \cdot 0.3 \text{ моль} = 0.1 \text{ моль}$

7. Рассчитаем массу $Al_2S_3$ в исходной смеси. Молярная масса $Al_2S_3$ равна:
$M(Al_2S_3) = 2 \cdot 27 + 3 \cdot 32 = 54 + 96 = 150 \text{ г/моль}$
$m(Al_2S_3) = n(Al_2S_3) \cdot M(Al_2S_3) = 0.1 \text{ моль} \cdot 150 \text{ г/моль} = 15 \text{ г}$

8. Найдем массовую долю $Al_2S_3$ в смеси:
$\omega(Al_2S_3) = \frac{m(Al_2S_3)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{15 \text{ г}}{20 \text{ г}} \cdot 100\% = 75\%$

9. Масса сульфида калия $K_2S$ в смеси равна разности общей массы смеси и массы $Al_2S_3$:
$m(K_2S) = m_{смеси} - m(Al_2S_3) = 20 \text{ г} - 15 \text{ г} = 5 \text{ г}$

10. Найдем массовую долю $K_2S$ в смеси:
$\omega(K_2S) = \frac{m(K_2S)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{5 \text{ г}}{20 \text{ г}} \cdot 100\% = 25\%$

Ответ: массовая доля сульфида алюминия в смеси составляет 75%, массовая доля сульфида калия – 25%.

8.63. Какие вещества образуются при сплавлении алюминия с твёрдым гидроксидом натрия? Запишите уравнение реакции.

Решение

Алюминий ($Al$) является амфотерным металлом, что означает его способность реагировать как с кислотами, так и с сильными основаниями (щелочами), такими как гидроксид натрия ($NaOH$).

Условие «сплавление» подразумевает реакцию между твердыми веществами при высокой температуре, как правило, в отсутствие воды. В таких условиях протекает окислительно-восстановительная реакция, в которой алюминий окисляется, переходя в состав соли (алюмината), а водород из гидроксида натрия восстанавливается, выделяясь в виде газа.

При сплавлении алюминия с избытком твердого гидроксида натрия образуется соль — ортоалюминат натрия ($Na_3AlO_3$) и выделяется газообразный водород ($H_2$).

Уравнение этой реакции выглядит следующим образом:

$2Al + 6NaOH \xrightarrow{t^{\circ}C} 2Na_3AlO_3 + 3H_2\uparrow$

Следует отметить, что при реакции алюминия с водным раствором гидроксида натрия образуется тетрагидроксоалюминат натрия ($Na[Al(OH)_4]$), который при последующем нагревании может превращаться в метаалюминат натрия ($NaAlO_2$). Однако для процесса сплавления твердых реагентов приведенное выше уравнение с образованием ортоалюмината является наиболее корректным.

Ответ: При сплавлении алюминия с твёрдым гидроксидом натрия образуются ортоалюминат натрия ($Na_3AlO_3$) и водород ($H_2$). Уравнение реакции: $2Al + 6NaOH \xrightarrow{t^{\circ}C} 2Na_3AlO_3 + 3H_2\uparrow$.

8.64. Для получения криолита 1 моль гидроксида алюминия обработали избытком плавиковой кислоты и добавили 3 моль гидроксида натрия. Сколько граммов криолита получили?

Дано:

$n(Al(OH)_3) = 1 \text{ моль}$

$n(HF) = \text{избыток}$

$n(NaOH) = 3 \text{ моль}$

Найти:

$m(Na_3[AlF_6]) - ?$

Решение:

1. Для решения задачи необходимо записать суммарное уравнение реакции получения криолита ($Na_3[AlF_6]$). Процесс включает реакцию гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$) с плавиковой кислотой ($HF$) и последующую нейтрализацию полученного продукта гидроксидом натрия ($NaOH$).

Суммарное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$Al(OH)_3 + 6HF + 3NaOH \rightarrow Na_3[AlF_6] + 6H_2O$

2. Определим лимитирующий реагент. По условию, плавиковая кислота находится в избытке, поэтому ее в расчетах не учитываем. Сравним количество вещества гидроксида алюминия и гидроксида натрия.

Согласно стехиометрии уравнения, на 1 моль $Al(OH)_3$ требуется 3 моль $NaOH$.

По условию задачи дано $1 \text{ моль } Al(OH)_3$ и $3 \text{ моль } NaOH$.

Соотношение количеств реагентов ($1:3$) точно соответствует стехиометрическому соотношению в уравнении реакции. Это означает, что оба реагента прореагируют полностью, и они находятся в стехиометрическом соотношении.

3. Рассчитаем количество вещества (в молях) криолита, которое образуется в результате реакции. Согласно уравнению, из 1 моль $Al(OH)_3$ образуется 1 моль $Na_3[AlF_6]$.

$n(Na_3[AlF_6]) = n(Al(OH)_3) = 1 \text{ моль}$

4. Вычислим молярную массу криолита $Na_3[AlF_6]$.

Используем относительные атомные массы: $Ar(Na) \approx 23 \text{ г/моль}$, $Ar(Al) \approx 27 \text{ г/моль}$, $Ar(F) \approx 19 \text{ г/моль}$.

$M(Na_3[AlF_6]) = 3 \cdot Ar(Na) + Ar(Al) + 6 \cdot Ar(F) = 3 \cdot 23 + 27 + 6 \cdot 19 = 69 + 27 + 114 = 210 \text{ г/моль}$

5. Найдем массу полученного криолита по формуле $m = n \cdot M$.

$m(Na_3[AlF_6]) = n(Na_3[AlF_6]) \cdot M(Na_3[AlF_6]) = 1 \text{ моль} \cdot 210 \text{ г/моль} = 210 \text{ г}$

Ответ: получили 210 граммов криолита.

8.65. Почему при электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите алюминий выделяется на катоде?

При электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите алюминий выделяется на катоде в результате электрохимического процесса восстановления. Рассмотрим этот процесс подробно.

В промышленном методе получения алюминия (процесс Холла-Эру) используется электролиз раствора глинозема (чистого оксида алюминия, $Al_2O_3$) в расплаве криолита ($Na_3AlF_6$). Криолит выступает в роли растворителя, который позволяет проводить процесс при более низкой температуре (около 950-1000 °C) по сравнению с температурой плавления чистого оксида алюминия (более 2000 °C).

В этом расплаве (электролите) оксид алюминия и криолит диссоциируют на ионы. Хотя точный ионный состав расплава сложен и включает различные комплексные ионы, для понимания основного процесса можно считать, что в электролите присутствуют катионы (положительно заряженные ионы) $Al^{3+}$ и $Na^{+}$, а также анионы (отрицательно заряженные ионы), в основном кислородсодержащие (из $Al_2O_3$) и фторсодержащие (из $Na_3AlF_6$).

Электролиз происходит в электролизере, где есть два типа электродов:

• Катод – отрицательный электрод.
• Анод – положительный электрод.

Процессы на катоде:
Катод, имея отрицательный заряд, притягивает к себе положительно заряженные катионы: $Al^{3+}$ и $Na^{+}$. На катоде происходит процесс восстановления – присоединение электронов.

Возможны два процесса восстановления:

1. Восстановление ионов алюминия: $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$
2. Восстановление ионов натрия: $Na^{+} + e^- \rightarrow Na$

Согласно положению металлов в электрохимическом ряду напряжений, алюминий является менее активным металлом, чем натрий. Это означает, что ионы алюминия ($Al^{3+}$) имеют больший электродный потенциал и восстанавливаются легче (требуют меньших затрат энергии), чем ионы натрия ($Na^{+}$). Поэтому на катоде преимущественно происходит восстановление ионов алюминия до металлического алюминия, который в условиях процесса является жидким и скапливается на дне электролизера.

Процессы на аноде:
К положительно заряженному аноду движутся анионы. На аноде происходит окисление ионов кислорода $O^{2-}$ (из оксида алюминия) с образованием молекулярного кислорода: $2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$

Выделившийся кислород затем реагирует с материалом анода (углеродом), что приводит к его расходованию: $C + O_2 \rightarrow CO_2$

Ответ: Алюминий выделяется на катоде, потому что катод – это отрицательно заряженный электрод, к которому притягиваются положительно заряженные ионы алюминия ($Al^{3+}$). В условиях электролиза ионы алюминия восстанавливаются (принимают электроны) легче, чем другие присутствующие в расплаве катионы (например, $Na^{+}$), в результате чего на катоде образуется чистый металлический алюминий по реакции $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$.

8.66. Электролизу подвергли расплав криолита без добавки в него оксида алюминия. На каком электроде выделяется алюминий? Запишите уравнение реакции.

Криолит, имеющий химическую формулу $Na_3AlF_6$, в расплавленном состоянии подвергается диссоциации на ионы. В расплаве присутствуют катионы натрия ($Na^+$) и алюминия ($Al^{3+}$), а также фторид-анионы ($F^-$) (образующиеся из комплексного иона $[AlF_6]^{3-}$).

В процессе электролиза происходит направленное движение ионов к электродам. Положительно заряженные ионы (катионы) $Na^+$ и $Al^{3+}$ перемещаются к катоду (отрицательному электроду). На катоде происходит процесс восстановления (принятия электронов). Из двух присутствующих катионов восстанавливаться будет тот, который требует меньшей затраты энергии, то есть ион менее активного металла. Сравнивая их положение в электрохимическом ряду напряжений металлов, видим, что алюминий менее активен, чем натрий. Следовательно, на катоде будут восстанавливаться ионы алюминия с образованием металлического алюминия. Таким образом, алюминий выделяется на катоде.

Процесс на катоде описывается уравнением:
Катод (-): $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al^0$

Одновременно отрицательно заряженные фторид-ионы ($F^-$) движутся к аноду (положительному электроду), где они окисляются (отдают электроны), образуя газообразный фтор.
Анод (+): $2F^- - 2e^- \rightarrow F_2\uparrow$

Суммарное уравнение реакции электролиза расплава чистого криолита можно получить, сложив катодный и анодный процессы и сбалансировав число электронов. Ионы натрия $Na^+$ в электродных реакциях не участвуют и остаются в расплаве, образуя фторид натрия $NaF$.
$2Na_3AlF_6(расплав) \xrightarrow{электролиз} 2Al + 3F_2\uparrow + 6NaF$

Ответ: алюминий выделяется на катоде; уравнение реакции: $2Na_3AlF_6(расплав) \xrightarrow{электролиз} 2Al + 3F_2\uparrow + 6NaF$.

8.67. Какую роль играет графитовый анод в процессе производства алюминия?

Решение

В промышленном производстве алюминия методом электролиза расплава глинозема ($Al_2O_3$) в криолите ($Na_3AlF_6$) (процесс Холла-Эру) графитовый анод играет двойную и ключевую роль.

Во-первых, как и любой анод в электролитической ячейке, он является положительным электродом, который подводит электрический ток к электролиту. На его поверхности происходит процесс окисления. В данном случае окисляются ионы кислорода ($O^{2-}$), образующиеся при диссоциации глинозема, с образованием молекулярного кислорода:

$2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$

Во-вторых, и это специфическая особенность данного процесса, графитовый анод выступает в роли химического реагента. При высоких температурах процесса (около $950-970^\circ C$) выделяющийся на аноде активный кислород немедленно вступает в реакцию с углеродом ($C$), из которого сделан анод. В результате этой реакции образуются газообразные оксиды углерода — в основном диоксид углерода ($CO_2$), а также некоторое количество монооксида углерода ($CO$):

$C_{(анод)} + O_2 \rightarrow CO_{2(газ)}$

$2C_{(анод)} + O_2 \rightarrow 2CO_{(газ)}$

Таким образом, графитовый анод не просто является инертным проводником, а активно расходуется в ходе электролиза. Его называют "расходуемым" или "жертвенным" анодом, и его необходимо периодически заменять. Эта химическая реакция имеет важное практическое значение. Сгорая, углеродный анод предотвращает накопление газообразного кислорода, который мог бы повторно окислить уже полученный жидкий алюминий. Кроме того, реакция окисления углерода является экзотермической, то есть выделяет тепло, что частично компенсирует энергозатраты на разложение глинозема и позволяет снизить общее напряжение на электролизере, а значит, и расход электроэнергии.

Ответ:

Графитовый анод в процессе производства алюминия выполняет две основные функции: 1) является положительным электродом, на котором происходит окисление ионов кислорода; 2) выступает в качестве химического реагента (восстановителя), который реагирует с выделяющимся кислородом, предотвращая его взаимодействие с расплавленным алюминием и снижая общее энергопотребление процесса. Из-за этого анод постоянно расходуется ("сгорает") и требует периодической замены.

8.68. Сравните объёмы водорода, выделяющиеся при обработке равных навесок алюминия соляной кислотой и раствором гидроксида натрия.

Дано:

Масса алюминия в первой реакции: $m_1(Al)$
Масса алюминия во второй реакции: $m_2(Al)$
По условию: $m_1(Al) = m_2(Al) = m$
Реакция 1: Алюминий с соляной кислотой (HCl)
Реакция 2: Алюминий с раствором гидроксида натрия (NaOH)

Найти:

Сравнить объёмы выделившегося водорода $V_1(H_2)$ и $V_2(H_2)$.

Решение:

Для сравнения объемов выделившегося водорода необходимо записать уравнения химических реакций и проанализировать их стехиометрию. Алюминий является амфотерным металлом, поэтому он вступает в реакцию как с кислотами, так и с растворами щелочей. Предполагается, что кислота и щелочь взяты в избытке, и весь алюминий реагирует полностью.

Запишем уравнение реакции алюминия с соляной кислотой:

$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2 \uparrow$

Запишем уравнение реакции алюминия с водным раствором гидроксида натрия:

$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2 \uparrow$

Пусть масса навески алюминия равна $m$. Тогда количество вещества (моль) алюминия, вступившего в реакцию, можно рассчитать по формуле:

$n(Al) = \frac{m}{M(Al)}$

где $M(Al)$ - молярная масса алюминия.

Из первого уравнения реакции следует, что из 2 моль алюминия образуется 3 моль водорода. Найдем количество вещества водорода $n_1(H_2)$:

$n_1(H_2) = \frac{3}{2} n(Al)$

Аналогично, из второго уравнения реакции следует, что из 2 моль алюминия также образуется 3 моль водорода. Найдем количество вещества водорода $n_2(H_2)$:

$n_2(H_2) = \frac{3}{2} n(Al)$

Сравнивая полученные выражения, видим, что количества вещества водорода, выделившегося в обеих реакциях, равны:

$n_1(H_2) = n_2(H_2)$

Согласно закону Авогадро, равные количества вещества любых газов при одинаковых условиях (температура и давление) занимают одинаковые объёмы. Объем газа связан с количеством вещества соотношением $V = n \cdot V_m$, где $V_m$ — молярный объем газа при данных условиях.

Поскольку $n_1(H_2) = n_2(H_2)$ и молярный объем $V_m$ для обоих случаев одинаков, то и объемы выделившегося водорода будут равны.

$V_1(H_2) = V_2(H_2)$

Ответ: При обработке равных по массе навесок алюминия соляной кислотой и раствором гидроксида натрия выделяются равные объёмы водорода.