Страница 241 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

9.29. Хлор, выделившийся в результате взаимодействия 8,7 г оксида марганца(IV) с 112,9 мл 30%-й соляной кислоты плотностью 1,16 г/мл, вступил в реакцию с железом массой 2,8 г. Образовавшуюся соль растворили в 200 г воды. Определите массовую долю соли в растворе.

Дано:

$m(MnO_2) = 8,7 \text{ г}$

$V(р-ра\;HCl) = 112,9 \text{ мл}$

$\omega(HCl) = 30\% = 0,3$

$\rho(р-ра\;HCl) = 1,16 \text{ г/мл}$

$m(Fe) = 2,8 \text{ г}$

$m(H_2O) = 200 \text{ г}$

Найти:

$\omega(соли) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции получения хлора при взаимодействии оксида марганца(IV) с концентрированной соляной кислотой:

$MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 \uparrow + 2H_2O$

2. Рассчитаем количества веществ исходных реагентов для определения того, который находится в недостатке.

Молярная масса оксида марганца(IV) $M(MnO_2) = 55 + 2 \cdot 16 = 87 \text{ г/моль}$.

Количество вещества оксида марганца(IV):

$n(MnO_2) = \frac{m(MnO_2)}{M(MnO_2)} = \frac{8,7 \text{ г}}{87 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

Масса раствора соляной кислоты:

$m(р-ра\;HCl) = V(р-ра\;HCl) \cdot \rho(р-ра\;HCl) = 112,9 \text{ мл} \cdot 1,16 \text{ г/мл} = 130,964 \text{ г}$

Масса чистого хлороводорода в растворе:

$m(HCl) = m(р-ра\;HCl) \cdot \omega(HCl) = 130,964 \text{ г} \cdot 0,3 = 39,2892 \text{ г}$

Молярная масса хлороводорода $M(HCl) = 1 + 35,5 = 36,5 \text{ г/моль}$.

Количество вещества хлороводорода:

$n(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{39,2892 \text{ г}}{36,5 \text{ г/моль}} \approx 1,076 \text{ моль}$

3. Сравним количества веществ реагентов по уравнению. На 1 моль $MnO_2$ требуется 4 моль $HCl$.

Для реакции с 0,1 моль $MnO_2$ необходимо $4 \cdot 0,1 = 0,4 \text{ моль}$ HCl. Поскольку у нас есть 1,076 моль HCl (что больше 0,4 моль), соляная кислота находится в избытке, а оксид марганца(IV) — в недостатке. Расчет выделившегося хлора ведем по $MnO_2$.

4. Из уравнения реакции следует, что $n(Cl_2) = n(MnO_2)$.

$n(Cl_2) = 0,1 \text{ моль}$

5. Запишем уравнение реакции полученного хлора с железом. Хлор — сильный окислитель и окисляет железо до степени окисления +3, образуя хлорид железа(III).

$2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

6. Рассчитаем количество вещества железа и определим, какой из реагентов во второй реакции находится в недостатке.

Молярная масса железа $M(Fe) = 56 \text{ г/моль}$.

Количество вещества железа:

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{2,8 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 0,05 \text{ моль}$

7. Сравним количества веществ. По уравнению, на 2 моль Fe требуется 3 моль $Cl_2$.

Для реакции с 0,05 моль Fe необходимо $n(Cl_2) = \frac{3}{2} \cdot n(Fe) = \frac{3}{2} \cdot 0,05 = 0,075 \text{ моль}$.

У нас есть 0,1 моль $Cl_2$ (что больше 0,075 моль), следовательно, хлор находится в избытке, а железо — в недостатке. Расчет образовавшейся соли ведем по железу.

8. Из уравнения реакции следует, что $n(FeCl_3) = n(Fe)$.

$n(FeCl_3) = 0,05 \text{ моль}$

Рассчитаем массу образовавшейся соли — хлорида железа(III).

Молярная масса хлорида железа(III) $M(FeCl_3) = 56 + 3 \cdot 35,5 = 162,5 \text{ г/моль}$.

Масса хлорида железа(III):

$m(FeCl_3) = n(FeCl_3) \cdot M(FeCl_3) = 0,05 \text{ моль} \cdot 162,5 \text{ г/моль} = 8,125 \text{ г}$

9. Определим массовую долю соли в конечном растворе, полученном растворением $FeCl_3$ в 200 г воды.

Масса конечного раствора:

$m(раствора) = m(FeCl_3) + m(H_2O) = 8,125 \text{ г} + 200 \text{ г} = 208,125 \text{ г}$

Массовая доля соли в растворе:

$\omega(FeCl_3) = \frac{m(FeCl_3)}{m(раствора)} = \frac{8,125 \text{ г}}{208,125 \text{ г}} \approx 0,03904$

В процентах это составляет $0,03904 \cdot 100\% \approx 3,9\%$.

Ответ: массовая доля соли в растворе составляет 3,9%.

9.30. Запишите уравнения реакций, соответствующих следующей схеме превращений, укажите условия их протекания. Расшифруйте неизвестные вещества, если X содержит марганец, a Y и Z содержат бром.

${\mathrm{KMnO}}_4\underset{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}{\overset{{\mathrm{MnCl}}_2}{\to }}\mathrm{X}\to \mathrm{Mn}\to {\mathrm{MnBr}}_2\stackrel{{\mathrm{H}}_2\mathrm{SO}{4}_{4(\mathrm{конц}.)}}{\to }\mathrm{Y}\to {\mathrm{KBrO}}_3\stackrel{t}{\to }\mathrm{Z}$

Для решения задачи расшифруем неизвестные вещества X, Y и Z и запишем уравнения реакций для каждой стадии превращения, указав условия их протекания.

1. $KMnO_4 \xrightarrow{MnCl_2, H_2O} X$

Первая реакция — это реакция сопропорционирования между перманганатом калия ($KMnO_4$), где марганец имеет степень окисления +7, и хлоридом марганца(II) ($MnCl_2$), где степень окисления марганца +2. В нейтральной водной среде ($H_2O$) они реагируют с образованием оксида марганца(IV) ($MnO_2$), в котором марганец имеет промежуточную степень окисления +4. Вещество X, содержащее марганец, — это оксид марганца(IV) $MnO_2$. Реакция протекает при комнатной температуре.

$2KMnO_4 + 3MnCl_2 + 2H_2O \rightarrow 5MnO_2\downarrow + 2KCl + 4HCl$

Ответ: Неизвестное вещество X – это оксид марганца(IV) $MnO_2$. Уравнение реакции: $2KMnO_4 + 3MnCl_2 + 2H_2O \rightarrow 5MnO_2\downarrow + 2KCl + 4HCl$.

2. $X \rightarrow Mn$

Вторая стадия — получение металлического марганца из его оксида $MnO_2$. Это можно осуществить методом алюминотермии — восстановлением оксида металла более активным металлом, в данном случае алюминием. Реакция требует сильного нагревания для инициации (поджигания смеси).

$3MnO_2 + 4Al \xrightarrow{t} 3Mn + 2Al_2O_3$

Ответ: Уравнение реакции: $3MnO_2 + 4Al \xrightarrow{t} 3Mn + 2Al_2O_3$.

3. $Mn \rightarrow MnBr_2$

Третья стадия — это прямое взаимодействие металлического марганца с бромом с образованием бромида марганца(II). Реакция протекает при небольшом нагревании.

$Mn + Br_2 \xrightarrow{t} MnBr_2$

Ответ: Уравнение реакции: $Mn + Br_2 \xrightarrow{t} MnBr_2$.

4. $MnBr_2 \xrightarrow{H_2SO_4(конц)} Y$

Четвертая стадия — окислительно-восстановительная реакция между бромидом марганца(II) и концентрированной серной кислотой. Концентрированная $H_2SO_4$ при нагревании является сильным окислителем. Она окисляет бромид-ионы ($Br^{-1}$) до свободного брома ($Br_2$), а сама восстанавливается до диоксида серы ($SO_2$). Таким образом, вещество Y, содержащее бром, — это молекулярный бром $Br_2$.

$MnBr_2 + 2H_2SO_4(конц) \xrightarrow{t} MnSO_4 + Br_2\uparrow + SO_2\uparrow + 2H_2O$

Ответ: Неизвестное вещество Y – это бром $Br_2$. Уравнение реакции: $MnBr_2 + 2H_2SO_4(конц) \xrightarrow{t} MnSO_4 + Br_2\uparrow + SO_2\uparrow + 2H_2O$.

5. $Y \rightarrow KBrO_3$

Пятая стадия — получение бромата калия ($KBrO_3$) из брома ($Y=Br_2$). Это реакция диспропорционирования брома в горячем концентрированном растворе гидроксида калия. В ходе реакции бром одновременно и окисляется до степени окисления +5 (в $KBrO_3$), и восстанавливается до степени окисления -1 (в $KBr$).

$3Br_2 + 6KOH(конц) \xrightarrow{t} 5KBr + KBrO_3 + 3H_2O$

Ответ: Уравнение реакции: $3Br_2 + 6KOH(конц) \xrightarrow{t} 5KBr + KBrO_3 + 3H_2O$.

6. $KBrO_3 \xrightarrow{t} Z$

Шестая стадия — термическое разложение бромата калия. При сильном нагревании (особенно в присутствии катализатора, например, $MnO_2$) бромат калия разлагается на бромид калия и кислород. Вещество Z, содержащее бром, — это бромид калия $KBr$.

$2KBrO_3 \xrightarrow{t, кат.} 2KBr + 3O_2\uparrow$

Ответ: Неизвестное вещество Z – это бромид калия $KBr$. Уравнение реакции: $2KBrO_3 \xrightarrow{t, кат.} 2KBr + 3O_2\uparrow$.

9.31. Как из металлического марганца в минимальное число стадий получить перманганат калия, не прибегая к электролизу? Запишите уравнения реакций.

Решение

Получить перманганат калия ($KMnO_4$) из металлического марганца ($Mn$) в одну стадию химическим путем практически невозможно, так как условия, необходимые для окисления металлического марганца (высокотемпературное сплавление), приведут к разложению перманганата калия, который термически неустойчив. Поэтому минимальное число стадий для этого процесса – две.

Стадия 1: Получение манганата калия ($K_2MnO_4$)

На первой стадии металлический марганец окисляют до степени окисления +6. Это достигается путем сплавления марганца с гидроксидом калия ($KOH$) в присутствии сильного окислителя. В качестве окислителя может выступать кислород воздуха ($O_2$), нитрат калия ($KNO_3$) или хлорат калия ($KClO_3$).

Уравнение реакции при использовании кислорода воздуха в качестве окислителя:
$2Mn + 4KOH + 3O_2 \xrightarrow{t} 2K_2MnO_4 + 2H_2O$

В результате образуется манганат калия – соединение зеленого цвета, в котором марганец имеет степень окисления +6.

Стадия 2: Получение перманганата калия ($KMnO_4$) из манганата калия ($K_2MnO_4$)

На второй стадии манганат калия ($Mn^{+6}$) необходимо окислить до перманганата ($Mn^{+7}$). Без использования электролиза это можно сделать двумя основными химическими способами.

Вариант А: Окисление хлором
Через водный раствор манганата калия пропускают хлор. Хлор является более сильным окислителем, чем манганат-ион, и окисляет марганец до степени окисления +7.
$2K_2MnO_4 + Cl_2 \rightarrow 2KMnO_4 + 2KCl$

Вариант Б: Диспропорционирование в кислой среде
Манганат-ион ($MnO_4^{2-}$) устойчив только в сильнощелочной среде. При подкислении раствора он диспропорционирует, одновременно повышая и понижая свою степень окисления. В качестве подкисляющего агента удобно использовать углекислый газ ($CO_2$), который, будучи слабой кислотой, не будет реагировать с образующимся перманганатом.
$3K_2MnO_4 + 2CO_2 \rightarrow 2KMnO_4 + MnO_2\downarrow + 2K_2CO_3$

Таким образом, синтез осуществляется в две стадии.

Ответ: Минимальное число стадий – две.
1. Сплавление металлического марганца с гидроксидом калия и окислителем (например, кислородом):
$2Mn + 4KOH + 3O_2 \xrightarrow{t} 2K_2MnO_4 + 2H_2O$
2. Окисление полученного манганата калия хлором или его диспропорционирование в кислой среде:
$2K_2MnO_4 + Cl_2 \rightarrow 2KMnO_4 + 2KCl$
или
$3K_2MnO_4 + 2CO_2 \rightarrow 2KMnO_4 + MnO_2\downarrow + 2K_2CO_3$

9.32. Почему химически чистое железо не находит широкого применения в технике?

Химически чистое железо не находит широкого применения в технике по нескольким основным причинам, которые касаются его физических, химических и экономических характеристик.

Во-первых, это низкие механические свойства. Чистое железо — довольно мягкий, пластичный и вязкий металл. Оно имеет низкую прочность и твёрдость, что делает его непригодным для изготовления конструкционных элементов, деталей машин и инструментов, которые должны выдерживать значительные механические нагрузки, трение и износ. Для этих целей требуются гораздо более прочные и твёрдые материалы.

Во-вторых, это низкая коррозионная стойкость. Чистое железо очень активно вступает в реакцию с кислородом воздуха в присутствии влаги, то есть быстро ржавеет. Процесс коррозии приводит к разрушению металла, потере прочности и сокращению срока службы изделий. Защита чистого железа от коррозии требует дополнительных затрат на специальные покрытия, что усложняет его использование.

В-третьих, это высокая стоимость производства. Получение химически чистого железа (с содержанием примесей менее 0,01%) — это сложный и энергозатратный технологический процесс, требующий многоступенчатой очистки. В промышленных масштабах это экономически невыгодно по сравнению с производством его сплавов.

Именно поэтому в технике вместо чистого железа используются его сплавы — в основном стали (сплавы железа с углеродом до 2,14%) и чугуны (сплавы с содержанием углерода выше 2,14%). Добавление углерода и других легирующих элементов (таких как хром, никель, марганец, вольфрам) позволяет кардинально улучшить свойства железа: повысить его прочность, твёрдость, износостойкость, а также придать специальные характеристики, например, устойчивость к коррозии (нержавеющая сталь) или жаропрочность. Сплавы железа являются более дешёвыми, практичными и универсальными материалами для решения подавляющего большинства инженерных задач.

Ответ: Химически чистое железо не находит широкого применения в технике из-за совокупности трёх основных недостатков: низких механических свойств (оно мягкое и непрочное), низкой коррозионной стойкости (быстро ржавеет) и высокой стоимости получения по сравнению с его сплавами (сталями и чугунами), которые обладают значительно лучшими эксплуатационными характеристиками.

9.33. Почему при сгорании железа в кислороде образуется оксид, в котором часть железа находится в степени окисления +2, а при ржавлении на влажном воздухе всё железо превращается в железо (+3)?

Решение

Различие в продуктах окисления железа при сгорании в кислороде и при ржавлении на влажном воздухе объясняется разными условиями протекания этих процессов, в первую очередь, температурой и наличием воды.

Сгорание железа в кислороде. Этот процесс представляет собой быструю экзотермическую реакцию, протекающую при очень высоких температурах. В этих условиях железо реагирует с кислородом с образованием железной окалины, или оксида железа(II,III): $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4$. Данный оксид является смешанным, его состав можно условно представить как $FeO \cdot Fe_2O_3$. В нём один атом железа имеет степень окисления +2, а два других — +3. Образование именно $Fe_3O_4$, а не высшего оксида $Fe_2O_3$, является термодинамически более выгодным при высоких температурах, характерных для горения. Окисление быстро останавливается на этой устойчивой в данных условиях стадии.

Ржавление железа на влажном воздухе. Этот процесс, в отличие от горения, является медленным электрохимическим процессом, который происходит при обычных температурах и требует одновременного присутствия кислорода и воды, которая выступает в роли электролита. Процесс ржавления проходит в несколько стадий:
1. Анодное окисление железа: $Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$.
2. Катодное восстановление кислорода: $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$.
3. Образование гидроксида железа(II): $Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2$.
4. Дальнейшее окисление до гидроксида железа(III): $4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$.
Продукт ржавления — гидроксид железа(III) $Fe(OH)_3$, или гидратированный оксид $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$. В этом соединении всё железо находится в своей высшей и наиболее устойчивой в водных средах при обычных условиях степени окисления +3.

Таким образом, ключевое различие заключается в условиях: высокая температура при сгорании приводит к образованию смешанного оксида $Fe_3O_4$, тогда как медленный электрохимический процесс ржавления при низкой температуре в присутствии воды позволяет железу полностью окислиться до соединений железа(+3).

Ответ: При сгорании железа в кислороде реакция протекает при очень высокой температуре, что термодинамически способствует образованию смешанного оксида железа(II,III) $Fe_3O_4$, в котором часть атомов железа имеет степень окисления +2, а часть — +3. Ржавление же — это медленный электрохимический процесс, протекающий при комнатной температуре в присутствии воды; в этих условиях железо постепенно окисляется до своей наиболее устойчивой степени окисления +3, образуя гидратированный оксид железа(III) (ржавчину).

9.34. Какое вещество образуется при сплавлении пирита с серой?

Решение:

Пирит — это минерал, химическая формула которого $FeS_2$. Он является дисульфидом железа(II), где железо имеет степень окисления +2, а сера находится в виде дисульфидного аниона $(S_2)^{2-}$. Пирит представляет собой наиболее устойчивый и богатый серой сульфид железа.

Химические свойства пирита определяются его составом. При сильном нагревании без доступа воздуха пирит разлагается на сульфид железа(II) (пирротин, $FeS$) и элементарную серу. Эта реакция является обратимой:

$FeS_2 \rightleftharpoons FeS + S$

В свою очередь, сульфид железа(II) при нагревании с серой образует пирит. Это реакция, обратная разложению:

$FeS + S \xrightarrow{t} FeS_2$

Поскольку пирит $FeS_2$ уже является продуктом реакции железа или его низших сульфидов с избытком серы, он считается «высшим» сульфидом железа. Дальнейшее присоединение серы с образованием нового устойчивого химического соединения в этих условиях не происходит.

Таким образом, при сплавлении пирита с серой химическая реакция не идёт. Полученная система будет представлять собой физическую смесь пирита и расплавленной серы. Если температура будет достаточно высокой для начала термического разложения пирита, то присутствие избыточной серы, согласно принципу Ле Шателье, будет смещать равновесие реакции разложения влево, то есть препятствовать распаду $FeS_2$.

Ответ: При сплавлении пирита с серой новое химическое вещество не образуется.

9.35. Как отличить железный купорос от соли Мора?

Решение

Железный купорос и соль Мора являются кристаллогидратами солей двухвалентного железа и внешне очень похожи (кристаллы светло-зеленого цвета). Однако они различаются по химическому составу.

Железный купорос – это гептагидрат сульфата железа(II), его химическая формула $FeSO_4 \cdot 7H_2O$.

Соль Мора – это двойная соль, гексагидрат сульфата аммония-железа(II), с формулой $(NH_4)_2Fe(SO_4)_2 \cdot 6H_2O$.

Ключевое различие между этими двумя солями заключается в наличии ионов аммония $NH_4^+$ в составе соли Мора. Следовательно, чтобы их различить, необходимо провести качественную реакцию на ион аммония.

Для этого нужно выполнить следующие шаги:

1. Взять две пробирки с образцами солей.
2. Растворить небольшое количество каждого вещества в воде.
3. Добавить в каждую пробирку избыток раствора сильной щелочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$) или гидроксида калия ($KOH$). В обеих пробирках выпадет серо-зеленый осадок гидроксида железа(II) $Fe(OH)_2$:
   $Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow$
4. Осторожно нагреть обе пробирки.

Результаты эксперимента:

• В пробирке с солью Мора при нагревании будет выделяться газ с характерным резким запахом аммиака ($NH_3$). Если поднести к отверстию пробирки влажную красную лакмусовую бумажку, она посинеет. Это происходит из-за реакции ионов аммония со щелочью:
  $NH_4^+ + OH^- \xrightarrow{t} NH_3 \uparrow + H_2O$
• В пробирке с железным купоросом при нагревании не произойдет никаких видимых изменений, кроме возможного потемнения осадка из-за окисления. Запаха аммиака не будет, и цвет индикаторной бумаги не изменится, так как ионы аммония в его составе отсутствуют.

Ответ: Чтобы отличить железный купорос от соли Мора, необходимо к их водным растворам добавить раствор щелочи и нагреть. Из раствора соли Мора будет выделяться аммиак с резким запахом, который окрасит влажную красную лакмусовую бумагу в синий цвет, в то время как с раствором железного купороса такой реакции не произойдет.

9.36. Оксид железа содержит 27,6% кислорода. Определите формулу оксида.

Дано:

Оксид железа (Fe_xO_y)

Массовая доля кислорода, $\omega(O) = 27,6\%$

Найти:

Формулу оксида - $Fe_xO_y$

Решение:

Общая формула оксида железа $Fe_xO_y$. Чтобы найти простейшую формулу, нужно определить соотношение числа атомов железа (x) и кислорода (y) в соединении. Это соотношение равно соотношению количеств вещества этих элементов.

1. Найдем массовую долю железа в оксиде:

$\omega(Fe) = 100\% - \omega(O) = 100\% - 27,6\% = 72,4\%$

2. Предположим, что у нас есть 100 г оксида. Тогда масса кислорода в этом образце будет равна 27,6 г, а масса железа - 72,4 г.

3. Найдем количество вещества (в молях) для каждого элемента. Используем молярные массы, взятые из периодической таблицы: $M(Fe) \approx 56$ г/моль и $M(O) \approx 16$ г/моль.

Количество вещества железа ($n(Fe)$):

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{72,4 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} \approx 1,293 \text{ моль}$

Количество вещества кислорода ($n(O)$):

$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{27,6 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 1,725 \text{ моль}$

4. Соотношение индексов x и y в формуле $Fe_xO_y$ равно соотношению количеств вещества атомов железа и кислорода:

$x : y = n(Fe) : n(O) = 1,293 : 1,725$

5. Чтобы найти простейшее целочисленное соотношение, разделим оба числа на наименьшее из них (1,293):

$x : y = \frac{1,293}{1,293} : \frac{1,725}{1,293} \approx 1 : 1,334$

6. Соотношение $1 : 1,334$ близко к $1 : 1\frac{1}{3}$, что эквивалентно $1 : \frac{4}{3}$. Чтобы привести это соотношение к целым числам, умножим обе части на 3:

$x : y = (1 \times 3) : (\frac{4}{3} \times 3) = 3 : 4$

Следовательно, простейшая формула оксида железа - $Fe_3O_4$. Этот оксид известен как магнетит или железная окалина.

Ответ: $Fe_3O_4$

9.37. Запишите уравнения реакций взаимодействия железной окалины ${\mathrm{Fe}}_3{\mathrm{O}}_4$ с соляной и концентрированной азотной кислотами.

Взаимодействие железной окалины Fe₃O₄ с соляной кислотой

Железная окалина, или оксид железа(II, III) ($Fe_3O_4$), является смешанным оксидом, который можно представить в виде $FeO \cdot Fe_2O_3$. Соляная кислота ($HCl$) является сильной кислотой, но не проявляет сильных окислительных свойств. Поэтому при взаимодействии с ней происходит кислотно-основная реакция, в результате которой образуются две соли, соответствующие степеням окисления железа +2 и +3 (хлорид железа(II) и хлорид железа(III)), и вода. Степени окисления элементов в ходе реакции не изменяются.

Уравнение реакции:

$Fe_3O_4 + 8HCl \rightarrow FeCl_2 + 2FeCl_3 + 4H_2O$

Ответ: $Fe_3O_4 + 8HCl \rightarrow FeCl_2 + 2FeCl_3 + 4H_2O$.

Взаимодействие железной окалины Fe₃O₄ с концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота ($HNO_3$) является сильным окислителем. При реакции с железной окалиной она окисляет двухвалентное железо ($Fe^{+2}$) до трехвалентного ($Fe^{+3}$). Трехвалентное железо, уже находящееся в составе $Fe_3O_4$, не меняет своей степени окисления. Таким образом, всё железо переходит в нитрат железа(III). Азот из азотной кислоты ($N^{+5}$) восстанавливается, в случае концентрированной кислоты, преимущественно до оксида азота(IV) ($NO_2$).

Это окислительно-восстановительная реакция. Уравнение реакции:

$Fe_3O_4 + 10HNO_3 \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO_2 + 5H_2O$

Ответ: $Fe_3O_4 + 10HNO_3 \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO_2 + 5H_2O$.

9.38. Железную проволоку массой 70 г растворили в разбавленной серной кислоте. Какую массу железного купороса можно выделить из полученного раствора?

Дано:

$m(Fe) = 70 \text{ г}$

Найти:

$m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение химической реакции растворения железа в разбавленной серной кислоте. Железо (Fe) как металл, стоящий в ряду активности до водорода, вытесняет его из кислоты, образуя соль — сульфат железа(II) ($FeSO_4$) и газообразный водород ($H_2$).

$Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow$

Железный купорос — это тривиальное название кристаллогидрата сульфата железа(II), имеющего формулу $FeSO_4 \cdot 7H_2O$. Именно в виде этого соединения сульфат железа(II) выделяют из водного раствора при кристаллизации.

2. Рассчитаем молярные массы исходного вещества (железа) и конечного продукта (железного купороса). Для этого воспользуемся периодической системой химических элементов Д.И. Менделеева, округляя атомные массы до целых чисел: $Ar(Fe) = 56$, $Ar(S) = 32$, $Ar(O) = 16$, $Ar(H) = 1$.

Молярная масса железа:

$M(Fe) = 56 \text{ г/моль}$

Молярная масса железного купороса ($FeSO_4 \cdot 7H_2O$):

$M(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = Ar(Fe) + Ar(S) + 4 \cdot Ar(O) + 7 \cdot (2 \cdot Ar(H) + Ar(O))$

$M(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = 56 + 32 + 4 \cdot 16 + 7 \cdot (2 \cdot 1 + 16) = 152 + 7 \cdot 18 = 152 + 126 = 278 \text{ г/моль}$

3. Вычислим количество вещества (число молей) железа, которое было растворено:

$\nu(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{70 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 1.25 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции, стехиометрическое соотношение между железом и сульфатом железа(II) составляет 1:1. Это означает, что из 1 моль железа образуется 1 моль сульфата железа(II). Следовательно, количество вещества образовавшегося сульфата железа(II) равно количеству вещества прореагировавшего железа:

$\nu(FeSO_4) = \nu(Fe) = 1.25 \text{ моль}$

5. При кристаллизации из раствора сульфат железа(II) образует кристаллогидрат. Количество вещества кристаллогидрата ($FeSO_4 \cdot 7H_2O$) будет равно количеству вещества безводной соли ($FeSO_4$):

$\nu(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = \nu(FeSO_4) = 1.25 \text{ моль}$

6. Теперь можно рассчитать массу железного купороса, которую можно выделить из полученного раствора:

$m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = \nu(FeSO_4 \cdot 7H_2O) \cdot M(FeSO_4 \cdot 7H_2O)$

$m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = 1.25 \text{ моль} \cdot 278 \text{ г/моль} = 347.5 \text{ г}$

Ответ: из полученного раствора можно выделить 347,5 г железного купороса.

9.39. Установите формулу хлорида железа, 1,0 г которого при взаимодействии с избытком раствора нитрата серебра даёт 2,65 г осадка.

Дано:

Найти:

Формулу хлорида железа - ?

Решение:

Общая формула хлорида железа - $FeCl_x$, где $x$ — неизвестный индекс, соответствующий валентности железа в данном соединении. При взаимодействии раствора хлорида железа с избытком раствора нитрата серебра ($AgNO_3$) происходит реакция ионного обмена, в результате которой образуется нерастворимый осадок хлорида серебра ($AgCl$).

Уравнение реакции в общем виде:

$FeCl_x + xAgNO_3 \rightarrow xAgCl \downarrow + Fe(NO_3)_x$

1. Определим количество вещества (моль) образовавшегося осадка $AgCl$. Для этого сначала рассчитаем его молярную массу, используя атомные массы серебра ($Ar(Ag) \approx 108$) и хлора ($Ar(Cl) \approx 35,5$).

$M(AgCl) = Ar(Ag) + Ar(Cl) = 108 + 35,5 = 143,5 \text{ г/моль}$

Теперь найдем количество вещества $AgCl$:

$n(AgCl) = \frac{m(AgCl)}{M(AgCl)} = \frac{2,65 \text{ г}}{143,5 \text{ г/моль}} \approx 0,01847 \text{ моль}$

2. Из уравнения реакции видно, что все ионы хлора из исходного хлорида железа переходят в состав осадка. Следовательно, количество вещества атомов хлора в исходной пробе равно количеству вещества хлорида серебра.

$n(Cl) = n(AgCl) \approx 0,01847 \text{ моль}$

3. Рассчитаем массу хлора, содержавшуюся в 1,0 г исходного вещества.

$m(Cl) = n(Cl) \times M(Cl) = 0,01847 \text{ моль} \times 35,5 \text{ г/моль} \approx 0,656 \text{ г}$

4. Масса исходного образца хлорида железа складывается из масс железа и хлора. Найдем массу железа в образце.

$m(Fe) = m(FeCl_x) - m(Cl) = 1,0 \text{ г} - 0,656 \text{ г} = 0,344 \text{ г}$

5. Определим количество вещества железа в образце. Атомная масса железа $Ar(Fe) \approx 56$.

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{0,344 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} \approx 0,00614 \text{ моль}$

6. Для установления формулы $FeCl_x$ необходимо найти соотношение количеств вещества атомов хлора и железа. Это соотношение и будет равно индексу $x$.

$x = \frac{n(Cl)}{n(Fe)} = \frac{0,01847 \text{ моль}}{0,00614 \text{ моль}} \approx 3,008$

Полученное значение с высокой точностью равно 3. Это означает, что в соединении на один атом железа приходится три атома хлора.

Таким образом, искомая формула хлорида железа — $FeCl_3$.

Ответ: $FeCl_3$.

9.40. Как из железного купороса получить: а) сульфат железа(III); б) нитрат железа(II); в) хлорид железа(II)? Запишите уравнения реакций.

Железный купорос – это кристаллогидрат сульфата железа(II), формула которого $FeSO_4 \cdot 7H_2O$. Для написания уравнений реакций будем использовать формулу безводной соли $FeSO_4$, подразумевая, что реакции протекают в водном растворе.

а) сульфат железа(III)

Решение

Для получения сульфата железа(III) $Fe_2(SO_4)_3$ из сульфата железа(II) $FeSO_4$ необходимо провести окислительно-восстановительную реакцию, в которой ион железа $Fe^{2+}$ окисляется до иона железа $Fe^{3+}$. Это можно осуществить с помощью сильного окислителя, например, пероксида водорода $H_2O_2$, в присутствии серной кислоты. Серная кислота необходима для создания кислой среды и как источник дополнительных сульфат-ионов для образования соли железа(III).

Уравнение реакции:

$2FeSO_4 + H_2O_2 + H_2SO_4 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 2H_2O$

В данной реакции степень окисления железа повышается с +2 до +3, а степень окисления кислорода в пероксиде водорода понижается с -1 до -2.

Ответ: Уравнение реакции: $2FeSO_4 + H_2O_2 + H_2SO_4 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 2H_2O$.

б) нитрат железа(II)

Решение

Нитрат железа(II) $Fe(NO_3)_2$ можно получить из сульфата железа(II) $FeSO_4$ с помощью реакции ионного обмена. Для этого к раствору сульфата железа(II) необходимо добавить раствор такой соли, которая содержит нитрат-ион и образует нерастворимый осадок с сульфат-ионом. Подходящим реагентом является нитрат бария $Ba(NO_3)_2$, так как образующийся в результате реакции сульфат бария $BaSO_4$ нерастворим в воде и выпадает в осадок.

Уравнение реакции:

$FeSO_4 + Ba(NO_3)_2 \rightarrow Fe(NO_3)_2 + BaSO_4 \downarrow$

Осадок сульфата бария отделяют от раствора методом фильтрования. В фильтрате будет находиться искомый нитрат железа(II).

Ответ: Уравнение реакции: $FeSO_4 + Ba(NO_3)_2 \rightarrow Fe(NO_3)_2 + BaSO_4 \downarrow$.

в) хлорид железа(II)

Решение

Получение хлорида железа(II) $FeCl_2$ из сульфата железа(II) $FeSO_4$ осуществляется аналогично предыдущему пункту – с помощью реакции ионного обмена. К раствору сульфата железа(II) добавляют раствор растворимого хлорида, катион которого образует нерастворимый сульфат. Наиболее подходящим реагентом является хлорид бария $BaCl_2$.

Уравнение реакции:

$FeSO_4 + BaCl_2 \rightarrow FeCl_2 + BaSO_4 \downarrow$

Образующийся нерастворимый осадок сульфата бария $BaSO_4$ отделяют фильтрованием, в результате чего получают раствор хлорида железа(II).

Ответ: Уравнение реакции: $FeSO_4 + BaCl_2 \rightarrow FeCl_2 + BaSO_4 \downarrow$.

9.41. Сравните взаимодействие гидроксида железа(III) с соляной и иодоводородной кислотами. Объясните различие.

Решение

Взаимодействие гидроксида железа(III) с соляной кислотой

Гидроксид железа(III), $Fe(OH)_3$, является слабым основанием, а соляная кислота, $HCl$ — сильной кислотой. Их взаимодействие представляет собой типичную реакцию нейтрализации (ионного обмена), в ходе которой образуются соль (хлорид железа(III)) и вода. В этой реакции степени окисления элементов не изменяются, и железо сохраняет степень окисления +3.

Уравнение реакции:

$Fe(OH)_3 + 3HCl \rightarrow FeCl_3 + 3H_2O$

Взаимодействие гидроксида железа(III) с иодоводородной кислотой

Иодоводородная кислота, $HI$, является не только сильной кислотой, но и сильным восстановителем за счет иодид-иона $I^-$. Ион железа(III), $Fe^{3+}$, в свою очередь, является окислителем. Поэтому между ними, наряду с кислотно-основным взаимодействием, протекает окислительно-восстановительная реакция. Ион $Fe^{3+}$ окисляет иодид-ион $I^−$ до свободного иода $I_2$, а сам восстанавливается до иона $Fe^{2+}$.

Процессы окисления-восстановления:

• Восстановление: $Fe^{3+} + e^- \rightarrow Fe^{2+}$
• Окисление: $2I^- - 2e^- \rightarrow I_2$

Суммарное уравнение реакции:

$2Fe(OH)_3 + 6HI \rightarrow 2FeI_2 + I_2 + 6H_2O$

В результате реакции образуются иодид железа(II), свободный иод и вода.

Объяснение различий

Различие в характере взаимодействия обусловлено разными окислительно-восстановительными свойствами анионов кислот: хлорид-иона ($Cl^−$) и иодид-иона ($I^−$).

Иодид-ион ($I^−$) является сильным восстановителем, способным восстановить железо(III) до железа(II). Это объясняется соотношением стандартных электродных потенциалов: потенциал пары $Fe^{3+}/Fe^{2+}$ ($E^0 = +0.77 \text{ В}$) выше, чем у пары $I_2/2I^−$ ($E^0 = +0.54 \text{ В}$), что делает реакцию между ними термодинамически самопроизвольной.

Хлорид-ион ($Cl^−$) — очень слабый восстановитель. Его восстановительной способности недостаточно для восстановления $Fe^{3+}$. Потенциал пары $Cl_2/2Cl^−$ ($E^0 = +1.36 \text{ В}$) значительно выше, чем у пары $Fe^{3+}/Fe^{2+}$, поэтому $Cl^−$ не может восстановить $Fe^{3+}$.

Ответ: Взаимодействие гидроксида железа(III) с соляной кислотой является реакцией нейтрализации ($Fe(OH)_3 + 3HCl \rightarrow FeCl_3 + 3H_2O$), где степень окисления железа не меняется. Взаимодействие с иодоводородной кислотой является окислительно-восстановительной реакцией ($2Fe(OH)_3 + 6HI \rightarrow 2FeI_2 + I_2 + 6H_2O$), так как иодид-ион ($I^−$) является сильным восстановителем и восстанавливает железо(III) до железа(II). Различие обусловлено сильными восстановительными свойствами иодид-иона по сравнению с очень слабыми восстановительными свойствами хлорид-иона.