Страница 242 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

9.42. Через раствор хлорида железа(III) пропустили сероводород. Раствор помутнел, а его окраска стала менее интенсивной. Дайте объяснение этому факту. Запишите уравнение реакции.

Решение

При пропускании сероводорода ($H_2S$) через раствор хлорида железа(III) ($FeCl_3$) происходит окислительно-восстановительная реакция. В этой реакции ион железа(III) $Fe^{3+}$ является окислителем, а сероводород $H_2S$ — восстановителем.

Ослабление интенсивной желто-бурой окраски раствора связано с тем, что ионы $Fe^{3+}$ восстанавливаются до ионов железа(II) $Fe^{2+}$. Водные растворы солей железа(II) имеют очень бледную, светло-зеленую окраску, поэтому по мере протекания реакции исходный цвет раствора становится менее интенсивным.

Одновременно сероводород, в котором сера имеет степень окисления -2, окисляется до элементарной серы $S^0$. Свободная сера — это нерастворимое в воде твердое вещество, которое выпадает в виде желтоватого осадка, вызывая помутнение раствора.

Суммарное уравнение реакции, описывающее эти превращения, выглядит так:

$2FeCl_3 + H_2S \rightarrow 2FeCl_2 + S\downarrow + 2HCl$

Ответ: Помутнение раствора и ослабление его окраски объясняется протеканием окислительно-восстановительной реакции между хлоридом железа(III) и сероводородом. Ион $Fe^{3+}$ (определяющий желто-бурую окраску раствора) восстанавливается до почти бесцветного иона $Fe^{2+}$, а сероводород окисляется до нерастворимой в воде элементарной серы $S$, которая выпадает в осадок. Уравнение реакции: $2FeCl_3 + H_2S \rightarrow 2FeCl_2 + S\downarrow + 2HCl$.

9.43. Неизвестная соль X имеет бледный голубовато-зеленоватый цвет. Её водный раствор при действии хлора становится ярко-жёлтым. Исходный раствор X даёт с ионами серебра белый творожистый осадок. Определите X. Запишите уравнения реакций.

Решение

Для определения неизвестной соли X проанализируем последовательно все данные условия.

1. Бледно-голубовато-зеленоватый цвет соли. Такой цвет характерен для солей двухвалентного железа. Водные растворы солей $Fe^{2+}$ имеют бледно-зелёную окраску. Таким образом, можно предположить, что катионом в соли X является ион $Fe^{2+}$.

2. Исходный раствор X даёт с ионами серебра белый творожистый осадок. Это качественная реакция на хлорид-ионы ($Cl^-$). Ионы серебра ($Ag^+$) образуют с хлорид-ионами нерастворимый белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$). Следовательно, анионом в соли X является ион $Cl^-$.

Сопоставляя катион и анион, приходим к выводу, что неизвестная соль X — это хлорид железа(II) с формулой $FeCl_2$.

3. Проверка по третьему условию: водный раствор соли X при действии хлора становится ярко-жёлтым. Хлор ($Cl_2$) является сильным окислителем. Он окисляет ионы железа(II) до ионов железа(III).

$2Fe^{2+} \rightarrow 2Fe^{3+} + 2e^-$

$Cl_2 + 2e^- \rightarrow 2Cl^-$

Растворы солей железа(III), например, хлорида железа(III) ($FeCl_3$), имеют характерную жёлто-бурую окраску. Это полностью соответствует наблюдению.

Таким образом, все условия задачи удовлетворяются, если соль X — это хлорид железа(II).

Уравнения реакций:

1. Реакция окисления хлорида железа(II) хлором:

$2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

2. Реакция раствора хлорида железа(II) с нитратом серебра (как источником ионов $Ag^+$):

$FeCl_2 + 2AgNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_2 + 2AgCl \downarrow$

Сокращённое ионное уравнение для второй реакции:

$Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl \downarrow$

Ответ: Неизвестная соль X — хлорид железа(II) ($FeCl_2$). Уравнения реакций: $2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$; $FeCl_2 + 2AgNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_2 + 2AgCl \downarrow$.

9.44. Смесь железа с серой нагрели, полученный продукт разделили на две части. Одну из них сожгли на воздухе, а другую растворили в соляной кислоте. Выделившиеся газы при смешении образуют простое вещество жёлтого цвета. Запишите уравнения реакций.

Решение

В задаче описана последовательность химических превращений. Запишем уравнения для каждого этапа.

1. Смесь железа с серой нагрели. При нагревании железо ($Fe$) вступает в реакцию соединения с серой ($S$), образуя сульфид железа(II) ($FeS$).

$Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$

2. Полученный продукт разделили на две части. Одну из них сожгли на воздухе. Сжигание сульфида железа(II) в кислороде ($O_2$) приводит к образованию оксида железа(III) ($Fe_2O_3$) и выделению сернистого газа ($SO_2$).

$4FeS + 7O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_2O_3 + 4SO_2 \uparrow$

3. Другую часть продукта растворили в соляной кислоте ($HCl$). Сульфид железа(II) реагирует с соляной кислотой по реакции обмена, в результате чего образуется хлорид железа(II) ($FeCl_2$) и выделяется газ сероводород ($H_2S$).

$FeS + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2S \uparrow$

4. Выделившиеся газы (сернистый газ $SO_2$ и сероводород $H_2S$) при смешении вступают в окислительно-восстановительную реакцию. В результате образуется простое вещество жёлтого цвета, которым является сера ($S$), и вода ($H_2O$).

$SO_2 + 2H_2S \rightarrow 3S \downarrow + 2H_2O$

Ответ:

Уравнения описанных реакций:

$Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$

$4FeS + 7O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_2O_3 + 4SO_2 \uparrow$

$FeS + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2S \uparrow$

$SO_2 + 2H_2S \rightarrow 3S \downarrow + 2H_2O$

9.45. Железную проволоку сожгли в кислороде. Полученный продукт разделили на две части. Одну часть растворили в соляной кислоте, другую – в концентрированной азотной кислоте. При добавлении водного раствора аммиака ко второму раствору выпал осадок бурого цвета. Запишите уравнения реакций.

Решение

1. Сначала происходит реакция горения железа в кислороде. При этом образуется железная окалина — смешанный оксид железа(II, III), имеющий формулу $Fe_3O_4$.

$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4$

2. Полученный продукт $Fe_3O_4$ разделили на две части. Первую часть растворили в соляной кислоте. Железная окалина, являясь смешанным оксидом ($FeO \cdot Fe_2O_3$), реагирует с соляной кислотой с образованием двух солей: хлорида железа(II) и хлорида железа(III).

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

3. Вторую часть продукта растворили в концентрированной азотной кислоте. Концентрированная азотная кислота является сильным окислителем. Она окисляет железо в степени окисления +2, входящее в состав окалины, до степени окисления +3. Таким образом, весь оксид превращается в нитрат железа(III). Азотная кислота при этом восстанавливается преимущественно до диоксида азота $NO_2$.

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

4. К раствору, полученному в результате реакции с азотной кислотой (который содержит нитрат железа(III)), добавили водный раствор аммиака. Аммиак в водном растворе образует гидроксид аммония ($NH_3 \cdot H_2O$), который является слабым основанием. В результате реакции ионного обмена образуется нерастворимый гидроксид железа(III) — осадок бурого цвета.

$Fe(NO_3)_3 + 3NH_3 \cdot H_2O \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NH_4NO_3$

Ответ:

$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4$
$Fe_3O_4 + 8HCl \rightarrow FeCl_2 + 2FeCl_3 + 4H_2O$
$Fe_3O_4 + 10HNO_3 \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO_2 + 5H_2O$
$Fe(NO_3)_3 + 3NH_3 \cdot H_2O \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NH_4NO_3$

9.46. На 11,2 г железа подействовали 120 мл 16%-го раствора соляной кислоты ($\mathrm{\rho }$ = 1,13 г/мл). Определите объём 10%-го раствора гидроксида натрия ($\mathrm{\rho }$ = 1,08 г/мл), который может полностью прореагировать с солью, выделенной из полученного раствора.

Дано:

$m(Fe) = 11,2$ г
$V_{р-ра}(HCl) = 120$ мл
$w(HCl) = 16\% = 0,16$
$\rho_{р-ра}(HCl) = 1,13$ г/мл
$w(NaOH) = 10\% = 0,10$
$\rho_{р-ра}(NaOH) = 1,08$ г/мл

Найти:

$V_{р-ра}(NaOH)$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия железа с соляной кислотой. В результате реакции образуется хлорид железа(II) и выделяется водород.

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

2. Определим количество вещества (моль) исходных реагентов, чтобы выяснить, какое из веществ находится в избытке, а какое в недостатке.

Найдем количество вещества железа, используя его молярную массу ($M(Fe) \approx 56$ г/моль):

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{11,2 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 0,2$ моль

Теперь найдем количество вещества соляной кислоты. Сначала вычислим массу раствора $HCl$, затем массу чистого $HCl$ и, наконец, его количество вещества ($M(HCl) \approx 36,5$ г/моль).

Масса раствора соляной кислоты:

$m_{р-ра}(HCl) = V_{р-ра}(HCl) \cdot \rho_{р-ра}(HCl) = 120 \text{ мл} \cdot 1,13 \text{ г/мл} = 135,6$ г

Масса чистого вещества $HCl$ в растворе:

$m(HCl) = m_{р-ра}(HCl) \cdot w(HCl) = 135,6 \text{ г} \cdot 0,16 = 21,696$ г

Количество вещества соляной кислоты:

$n(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{21,696 \text{ г}}{36,5 \text{ г/моль}} \approx 0,594$ моль

3. Сравним полученные количества веществ с их стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции. Согласно уравнению, на 1 моль $Fe$ требуется 2 моль $HCl$. Следовательно, для реакции с 0,2 моль $Fe$ необходимо:

$n_{необх}(HCl) = 2 \cdot n(Fe) = 2 \cdot 0,2 \text{ моль} = 0,4$ моль

Так как в наличии имеется 0,594 моль $HCl$, что больше, чем 0,4 моль, соляная кислота находится в избытке. Расчеты будем вести по веществу в недостатке — по железу.

4. По уравнению реакции, из 1 моль $Fe$ образуется 1 моль соли — хлорида железа(II) ($FeCl_2$). Значит, количество образовавшейся соли равно количеству прореагировавшего железа:

$n(FeCl_2) = n(Fe) = 0,2$ моль

5. Далее эта соль ($FeCl_2$) реагирует с гидроксидом натрия ($NaOH$). Запишем уравнение этой реакции:

$FeCl_2 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$

6. Из уравнения реакции следует, что на 1 моль $FeCl_2$ расходуется 2 моль $NaOH$. Найдем количество вещества гидроксида натрия, необходимое для полной реакции с 0,2 моль $FeCl_2$:

$n(NaOH) = 2 \cdot n(FeCl_2) = 2 \cdot 0,2 \text{ моль} = 0,4$ моль

7. Теперь, зная количество вещества $NaOH$, найдем массу чистого $NaOH$ ($M(NaOH) = 40$ г/моль) и массу его 10%-го раствора.

Масса чистого $NaOH$:

$m(NaOH) = n(NaOH) \cdot M(NaOH) = 0,4 \text{ моль} \cdot 40 \text{ г/моль} = 16$ г

Масса 10%-го раствора $NaOH$:

$m_{р-ра}(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{w(NaOH)} = \frac{16 \text{ г}}{0,10} = 160$ г

8. Наконец, зная массу и плотность раствора $NaOH$, найдем его объем:

$V_{р-ра}(NaOH) = \frac{m_{р-ра}(NaOH)}{\rho_{р-ра}(NaOH)} = \frac{160 \text{ г}}{1,08 \text{ г/мл}} \approx 148,15$ мл

Ответ: для полной реакции с солью потребуется 148,15 мл 10%-го раствора гидроксида натрия.

9.47. При прокаливании смеси нитратов железа(II) и железа (III) образовалась газовая смесь, которая на 9% тяжелее аргона. Во сколько раз уменьшилась масса твёрдой смеси после прокаливания? Ответ округлите до десятых.

Дано:

Смесь нитратов железа(II) и железа(III) - $Fe(NO_3)_2$ и $Fe(NO_3)_3$
Средняя молярная масса образовавшейся газовой смеси ($M_{см}$) на 9% больше молярной массы аргона ($M_{Ar}$), т.е. $M_{см} = 1.09 \cdot M_{Ar}$

Найти:

Во сколько раз уменьшилась масса твёрдой смеси: $\frac{m_{начальная}}{m_{конечная}}$ - ?

Решение:

1. При прокаливании нитраты железа разлагаются с образованием оксида железа(III), диоксида азота и кислорода. Запишем уравнения реакций:

$4Fe(NO_3)_2(тв) \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3(тв) + 8NO_2(г) + O_2(г)$ (1)

$4Fe(NO_3)_3(тв) \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3(тв) + 12NO_2(г) + 3O_2(г)$ (2)

Твёрдый продукт реакции — оксид железа(III) ($Fe_2O_3$). Газовая смесь состоит из диоксида азота ($NO_2$) и кислорода ($O_2$).

2. Рассчитаем среднюю молярную массу газовой смеси. Молярная масса аргона $M(Ar) \approx 40 \ г/моль$.

$M_{см} = 1.09 \cdot M(Ar) = 1.09 \cdot 40 \ г/моль = 43.6 \ г/моль$.

3. Определим мольное соотношение газов в смеси. Молярные массы компонентов газовой смеси: $M(NO_2) = 14 + 2 \cdot 16 = 46 \ г/моль$; $M(O_2) = 2 \cdot 16 = 32 \ г/моль$.

Пусть мольная доля $NO_2$ в смеси равна $\chi$, тогда мольная доля $O_2$ равна $(1-\chi)$. Средняя молярная масса смеси вычисляется по формуле:

$M_{см} = \chi \cdot M(NO_2) + (1-\chi) \cdot M(O_2)$

$43.6 = \chi \cdot 46 + (1-\chi) \cdot 32$

$43.6 = 46\chi + 32 - 32\chi$

$11.6 = 14\chi$

$\chi = \frac{11.6}{14} = \frac{116}{140} = \frac{29}{35}$

Соотношение количеств веществ ($n$) в газовой смеси равно соотношению их мольных долей:

$\frac{n(NO_2)}{n(O_2)} = \frac{\chi}{1-\chi} = \frac{29/35}{1 - 29/35} = \frac{29/35}{6/35} = \frac{29}{6}$

4. Найдем мольное соотношение нитратов в исходной твердой смеси. Пусть в исходной смеси было $n_1$ моль $Fe(NO_3)_2$ и $n_2$ моль $Fe(NO_3)_3$.

Из уравнения (1) следует, что при разложении $n_1$ моль $Fe(NO_3)_2$ образуется $2n_1$ моль $NO_2$ и $0.25n_1$ моль $O_2$.

Из уравнения (2) следует, что при разложении $n_2$ моль $Fe(NO_3)_3$ образуется $3n_2$ моль $NO_2$ и $0.75n_2$ моль $O_2$.

Общее количество молей газов:

$n_{общ}(NO_2) = 2n_1 + 3n_2$

$n_{общ}(O_2) = 0.25n_1 + 0.75n_2$

Подставим эти выражения в найденное соотношение газов:

$\frac{2n_1 + 3n_2}{0.25n_1 + 0.75n_2} = \frac{29}{6}$

$6 \cdot (2n_1 + 3n_2) = 29 \cdot (0.25n_1 + 0.75n_2)$

$12n_1 + 18n_2 = 7.25n_1 + 21.75n_2$

$4.75n_1 = 3.75n_2$

$\frac{n_1}{n_2} = \frac{3.75}{4.75} = \frac{15}{19}$

Итак, мольное соотношение нитратов в исходной смеси $n(Fe(NO_3)_2) : n(Fe(NO_3)_3) = 15 : 19$.

5. Рассчитаем, во сколько раз уменьшилась масса твердой смеси. Для этого найдем отношение начальной массы ($m_{нач}$) к конечной массе ($m_{кон}$). Допустим, что $n_1 = 15 \ моль$, а $n_2 = 19 \ моль$.

Молярные массы веществ:

$M(Fe(NO_3)_2) = 56 + 2 \cdot (14 + 3 \cdot 16) = 180 \ г/моль$

$M(Fe(NO_3)_3) = 56 + 3 \cdot (14 + 3 \cdot 16) = 242 \ г/моль$

$M(Fe_2O_3) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 160 \ г/моль$

Начальная масса смеси нитратов:

$m_{нач} = n_1 \cdot M(Fe(NO_3)_2) + n_2 \cdot M(Fe(NO_3)_3) = 15 \cdot 180 + 19 \cdot 242 = 2700 + 4598 = 7298 \ г$.

Количество вещества образовавшегося $Fe_2O_3$ можно найти из стехиометрии. Из $4$ моль любого нитрата железа образуется $2$ моль $Fe_2O_3$, то есть в 2 раза меньше. Общее количество моль атомов железа сохраняется.

$n(Fe) = n_1 + n_2 = 15 + 19 = 34 \ моль$.

$n(Fe_2O_3) = \frac{1}{2} n(Fe) = \frac{1}{2} \cdot 34 = 17 \ моль$.

Конечная масса твердого остатка:

$m_{кон} = n(Fe_2O_3) \cdot M(Fe_2O_3) = 17 \cdot 160 = 2720 \ г$.

Найдем искомое отношение масс:

$\frac{m_{нач}}{m_{кон}} = \frac{7298}{2720} \approx 2.683$

Округляя результат до десятых, получаем 2.7.

Ответ: масса твёрдой смеси уменьшилась в 2.7 раза.

9.48. Смесь порошков железа и цинка реагирует с 153 мл 10%-й соляной кислоты ($\mathrm{\rho }$ = 1,05 г/мл). На взаимодействие с такой же массой смеси требуется 40 мл 20%-го раствора гидроксида натрия ($\mathrm{\rho }$ = 1,10 г/мл). Определите массовую долю железа в смеси.

Дано:

$V(р-ра\;HCl) = 153 \text{ мл}$
$\omega(HCl) = 10\% = 0.1$
$\rho(р-ра\;HCl) = 1.05 \text{ г/мл}$
$V(р-ра\;NaOH) = 40 \text{ мл}$
$\omega(NaOH) = 20\% = 0.2$
$\rho(р-ра\;NaOH) = 1.10 \text{ г/мл}$

Найти:

$\omega(Fe)\;в\;смеси - ?$

Решение:

1. Запишем уравнения химических реакций. Соляная кислота реагирует как с железом, так и с цинком, поскольку оба металла находятся в ряду активности левее водорода.

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$ (1)

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$ (2)

Из двух металлов с раствором гидроксида натрия (щелочью) взаимодействует только цинк, так как он является амфотерным металлом. Железо с растворами щелочей не реагирует.

$Zn + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4] + H_2 \uparrow$ (3)

2. Ключ к решению задачи — реакция смеси с гидроксидом натрия, в которой участвует только цинк. Это позволяет определить количество и массу цинка в смеси. Для удобства дальнейшие расчеты будем проводить в граммах и молях.

Найдем массу раствора гидроксида натрия:

$m(р-ра\;NaOH) = V(р-ра\;NaOH) \cdot \rho(р-ра\;NaOH) = 40 \text{ мл} \cdot 1.10 \text{ г/мл} = 44 \text{ г}$

Найдем массу чистого $NaOH$ в растворе:

$m(NaOH) = m(р-ра\;NaOH) \cdot \omega(NaOH) = 44 \text{ г} \cdot 0.20 = 8.8 \text{ г}$

Молярная масса гидроксида натрия: $M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$.

Найдем количество вещества $NaOH$:

$n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{8.8 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0.22 \text{ моль}$

Согласно уравнению реакции (3), мольное соотношение $n(Zn) : n(NaOH) = 1:2$. Отсюда находим количество вещества цинка:

$n(Zn) = \frac{1}{2} n(NaOH) = \frac{1}{2} \cdot 0.22 \text{ моль} = 0.11 \text{ моль}$

Молярная масса цинка: $M(Zn) \approx 65 \text{ г/моль}$.

Найдем массу цинка в исходной смеси:

$m(Zn) = n(Zn) \cdot M(Zn) = 0.11 \text{ моль} \cdot 65 \text{ г/моль} = 7.15 \text{ г}$

3. Теперь, зная количество цинка, используем данные о реакции с соляной кислотой для нахождения массы железа.

Найдем массу раствора соляной кислоты:

$m(р-ра\;HCl) = V(р-ра\;HCl) \cdot \rho(р-ра\;HCl) = 153 \text{ мл} \cdot 1.05 \text{ г/мл} = 160.65 \text{ г}$

Найдем массу чистого $HCl$ в растворе:

$m(HCl) = m(р-ра\;HCl) \cdot \omega(HCl) = 160.65 \text{ г} \cdot 0.10 = 16.065 \text{ г}$

Молярная масса хлороводорода: $M(HCl) = 1 + 35.5 = 36.5 \text{ г/моль}$.

Найдем общее количество вещества $HCl$, вступившей в реакцию:

$n_{общ}(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{16.065 \text{ г}}{36.5 \text{ г/моль}} = 0.44 \text{ моль}$

Это количество кислоты пошло на реакцию с обоими металлами. Рассчитаем, сколько $HCl$ потребовалось для реакции с цинком, используя уравнение (2), где $n(Zn) : n(HCl) = 1:2$:

$n_{Zn}(HCl) = 2 \cdot n(Zn) = 2 \cdot 0.11 \text{ моль} = 0.22 \text{ моль}$

Оставшееся количество кислоты прореагировало с железом:

$n_{Fe}(HCl) = n_{общ}(HCl) - n_{Zn}(HCl) = 0.44 \text{ моль} - 0.22 \text{ моль} = 0.22 \text{ моль}$

Из уравнения (1) следует, что $n(Fe) : n(HCl) = 1:2$. Находим количество вещества железа:

$n(Fe) = \frac{1}{2} n_{Fe}(HCl) = \frac{1}{2} \cdot 0.22 \text{ моль} = 0.11 \text{ моль}$

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

Найдем массу железа в смеси:

$m(Fe) = n(Fe) \cdot M(Fe) = 0.11 \text{ моль} \cdot 56 \text{ г/моль} = 6.16 \text{ г}$

4. Наконец, определим массовую долю железа в смеси.

Общая масса смеси равна сумме масс железа и цинка:

$m_{смеси} = m(Fe) + m(Zn) = 6.16 \text{ г} + 7.15 \text{ г} = 13.31 \text{ г}$

Массовая доля железа вычисляется по формуле:

$\omega(Fe) = \frac{m(Fe)}{m_{смеси}} = \frac{6.16 \text{ г}}{13.31 \text{ г}} \approx 0.4628$

Выразим результат в процентах:

$\omega(Fe) \approx 0.4628 \cdot 100\% \approx 46.3\%$

Ответ: массовая доля железа в смеси составляет 46,3%.

9.49. Как осуществить следующие превращения?

$\mathrm{a}) \mathrm{Fe}⟶{\mathrm{FeCl}}_2⟶{\mathrm{FeCl}}_3⟶\mathrm{Fe}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3⟶$${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3⟶{\mathrm{MgFe}}_2{\mathrm{O}}_4⟶\mathrm{Fe}{\left({\mathrm{NO}}_3\right)}_3$

$\mathrm{б}) {\mathrm{Fe}}_3{\mathrm{O}}_4⟶\mathrm{Fe}{\left({\mathrm{NO}}_3\right)}_3⟶{\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3⟶{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3⟶$${\mathrm{FeSO}}_4⟶{\mathrm{K}}_4\left[\mathrm{Fe}{\left(\mathrm{CN}\right)}_6\right]⟶\mathrm{K}\left[\mathrm{FeFe}{\left(\mathrm{CN}\right)}_6\right]$

a) Ниже представлены уравнения реакций для осуществления данной цепи превращений:

1. Для получения хлорида железа(II) из чистого железа, необходимо провести реакцию с соляной кислотой. Железо вытесняет водород из кислоты, образуя соль:

$$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$$

2. Чтобы окислить железо(II) до железа(III), через раствор хлорида железа(II) пропускают сильный окислитель, например, газообразный хлор:

$$2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$$

3. Гидроксид железа(III) является нерастворимым основанием и может быть получен реакцией обмена между раствором хлорида железа(III) и щелочью, например, гидроксидом натрия:

$$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$$

4. При нагревании гидроксид железа(III) разлагается на оксид железа(III) и воду:

$$2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t} Fe_2O_3 + 3H_2O$$

5. Феррит магния ($MgFe_2O_4$) — это смешанный оксид, который можно получить при сплавлении оксида железа(III) с оксидом магния:

$$Fe_2O_3 + MgO \xrightarrow{t} MgFe_2O_4$$

6. Для получения нитрата железа(III) из феррита магния, его необходимо растворить в сильной кислоте, в данном случае — в азотной. При этом в раствор переходят катионы обоих металлов:

$$MgFe_2O_4 + 8HNO_3 \rightarrow Mg(NO_3)_2 + 2Fe(NO_3)_3 + 4H_2O$$

Ответ:

$$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$$

$$2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$$

$$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$$

$$2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t} Fe_2O_3 + 3H_2O$$

$$Fe_2O_3 + MgO \xrightarrow{t} MgFe_2O_4$$

$$MgFe_2O_4 + 8HNO_3 \rightarrow Mg(NO_3)_2 + 2Fe(NO_3)_3 + 4H_2O$$

б) Ниже представлены уравнения реакций для осуществления данной цепи превращений:

1. Железная окалина ($Fe_3O_4$) является смешанным оксидом ($FeO \cdot Fe_2O_3$). При реакции с концентрированной азотной кислотой, которая является сильным окислителем, железо(II) окисляется до железа(III), в результате чего образуется только нитрат железа(III):

$$Fe_3O_4 + 10HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO_2 \uparrow + 5H_2O$$

2. Термическое разложение нитрата железа(III) приводит к образованию оксида железа(III), диоксида азота и кислорода:

$$4Fe(NO_3)_3 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 12NO_2 \uparrow + 3O_2 \uparrow$$

3. Оксид железа(III) как основный оксид реагирует с серной кислотой с образованием соли — сульфата железа(III):

$$Fe_2O_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 3H_2O$$

4. Для восстановления железа(III) до железа(II) можно использовать металлический восстановитель, например, железные опилки. Это реакция сопропорционирования:

$$Fe_2(SO_4)_3 + Fe \rightarrow 3FeSO_4$$

5. Гексацианоферрат(II) калия (желтая кровяная соль) образуется при добавлении к раствору соли железа(II) избытка цианида калия:

$$FeSO_4 + 6KCN \rightarrow K_4[Fe(CN)_6] + K_2SO_4$$

6. При добавлении к раствору гексацианоферрата(II) калия соли железа(III) (например, $FeCl_3$) выпадает темно-синий осадок, известный как берлинская лазурь или турнбулева синь. Его состав может быть представлен формулой $KFe[Fe(CN)_6]$:

$$K_4[Fe(CN)_6] + FeCl_3 \rightarrow KFe[Fe(CN)_6] \downarrow + 3KCl$$

Ответ:

$$Fe_3O_4 + 10HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO_2 \uparrow + 5H_2O$$

$$4Fe(NO_3)_3 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 12NO_2 \uparrow + 3O_2 \uparrow$$

$$Fe_2O_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 3H_2O$$

$$Fe_2(SO_4)_3 + Fe \rightarrow 3FeSO_4$$

$$FeSO_4 + 6KCN \rightarrow K_4[Fe(CN)_6] + K_2SO_4$$

$$K_4[Fe(CN)_6] + FeCl_3 \rightarrow KFe[Fe(CN)_6] \downarrow + 3KCl$$

9.50. Что происходит при действии красной кровяной соли на раствор сульфата железа(III) и раствор сульфата железа(II)?

Красная кровяная соль — это тривиальное название гексацианоферрата(III) калия, химическая формула которого $K_3[Fe(CN)_6]$. В этом комплексном соединении железо находится в степени окисления +3. Рассмотрим его взаимодействие с растворами сульфата железа(III) и сульфата железа(II) по отдельности.

Действие красной кровяной соли на раствор сульфата железа(III)

Раствор сульфата железа(III), $Fe_2(SO_4)_3$, содержит катионы железа(III) — $Fe^{3+}$. Красная кровяная соль в растворе диссоциирует на ионы калия $K^+$ и комплексные анионы гексацианоферрата(III) — $[Fe(CN)_6]^{3-}$. При смешивании этих двух растворов ионы $Fe^{3+}$ и $[Fe(CN)_6]^{3-}$ взаимодействуют. Поскольку железо в обоих ионах находится в одинаковой степени окисления (+3), окислительно-восстановительной реакции не происходит. Продуктом является растворимое комплексное соединение гексацианоферрат(III) железа(III) — $Fe[Fe(CN)_6]$. В результате раствор приобретает коричневую окраску, но осадок не выпадает. Эта реакция не используется как качественная на ионы $Fe^{3+}$.

Ответ: При действии красной кровяной соли на раствор сульфата железа(III) образуется раствор коричневого цвета, выпадения осадка не происходит.

Действие красной кровяной соли на раствор сульфата железа(II)

Раствор сульфата железа(II), $FeSO_4$, содержит катионы железа(II) — $Fe^{2+}$. Взаимодействие этих ионов с гексацианоферрат(III)-ионами $[Fe(CN)_6]^{3-}$ является качественной реакцией на ион $Fe^{2+}$. В результате реакции образуется объемистый осадок темно-синего цвета, который носит название «турнбулева синь».

Традиционно состав осадка описывают формулой гексацианоферрата(III) железа(II) — $Fe_3[Fe(CN)_6]_2$. Уравнение реакции в молекулярной форме:

$3FeSO_4 + 2K_3[Fe(CN)_6] \rightarrow Fe_3[Fe(CN)_6]_2 \downarrow + 3K_2SO_4$

Сокращенное ионное уравнение реакции:

$3Fe^{2+} + 2[Fe(CN)_6]^{3-} \rightarrow Fe_3[Fe(CN)_6]_2 \downarrow$

Следует отметить, что современные физико-химические методы анализа показали, что «турнбулева синь» и «берлинская лазурь» (продукт реакции $Fe^{3+}$ с гексацианоферратом(II) калия) — это одно и то же вещество, представляющее собой комплекс смешанной валентности железа. Однако в учебной практике часто используется классическое разделение.

Ответ: При действии красной кровяной соли на раствор сульфата железа(II) выпадает темно-синий осадок, называемый «турнбулева синь».

9.51. Что происходит при действии жёлтой кровяной соли на раствор сульфата железа(III) и раствор сульфата железа(II)?

Жёлтая кровяная соль — это тривиальное название гексацианоферрата(II) калия, химическая формула которого $K_4[Fe(CN)_6]$. Это соединение используется в аналитической химии в качестве реагента для качественного определения ионов железа $Fe^{2+}$ и $Fe^{3+}$.

При действии жёлтой кровяной соли на раствор сульфата железа(III)

При добавлении раствора жёлтой кровяной соли к раствору сульфата железа(III) ($Fe_2(SO_4)_3$), содержащему ионы $Fe^{3+}$, протекает качественная реакция. В результате реакции образуется нерастворимое в воде комплексное соединение тёмно-синего цвета, которое называется «берлинская лазурь» или «турнбулева синь» (в настоящее время установлено, что это одно и то же вещество). Это соединение — гексацианоферрат(II) железа(III).

Уравнение реакции в ионном виде:

$4Fe^{3+} + 3[Fe(CN)_6]^{4-} \rightarrow Fe_4[Fe(CN)_6]_3 \downarrow$

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$2Fe_2(SO_4)_3 + 3K_4[Fe(CN)_6] \rightarrow Fe_4[Fe(CN)_6]_3 \downarrow + 6K_2SO_4$

Эта реакция является одним из наиболее чувствительных и специфичных методов обнаружения ионов $Fe^{3+}$ в растворе.

Ответ: При действии жёлтой кровяной соли на раствор сульфата железа(III) образуется тёмно-синий осадок берлинской лазури ($Fe_4[Fe(CN)_6]_3$).

При действии жёлтой кровяной соли на раствор сульфата железа(II)

При добавлении раствора жёлтой кровяной соли к раствору сульфата железа(II) ($FeSO_4$), содержащему ионы $Fe^{2+}$, образуется осадок белого цвета — гексацианоферрат(II) железа(II)-калия (известный как соль Эверитта) или гексацианоферрат(II) железа(II). Реакция идет только в отсутствие окислителей, в частности, кислорода воздуха.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$FeSO_4 + K_4[Fe(CN)_6] \rightarrow K_2Fe[Fe(CN)_6] \downarrow + K_2SO_4$

Образовавшийся белый осадок очень легко окисляется кислородом воздуха. При этом ионы железа(II) во внешней сфере комплекса ($Fe^{2+}$) окисляются до ионов железа(III) ($Fe^{3+}$), что приводит к образованию уже известной берлинской лазури. В результате осадок быстро приобретает синий цвет.

Таким образом, на практике наблюдается образование белого осадка, который почти мгновенно синеет на воздухе.

Ответ: При действии жёлтой кровяной соли на раствор сульфата железа(II) образуется белый осадок ($K_2Fe[Fe(CN)_6]$), который на воздухе быстро окисляется, приобретая тёмно-синий цвет.