Номер 5, страница 91, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

5. Алюминий — самый распространенный металл на Земле, железо — следующий за ним. Эти металлы производят в больших количествах. В таблице приведены характеристики их производств:

Получение: Руда. Алюминий: Боксит. Железо: Гематит, бурый или магнитный железняк

Получение: Формула. Алюминий: $Al_2O_3$. Железо: $Fe_2O_3$, $Fe_3O_4$

Получение: Топливо. Алюминий: Электричество. Железо: Энергия реакций и горение угля, газа в воздухе (экзотермический процесс)

Получение: Дополнительные реагенты. Алюминий: Графит, криолит. Железо: Известняк (флюсы), кокс

Получение: Температура, °C. Алюминий: 940–1000. Железо: 1900

Получение: Как металл отделяется в процессе. Алюминий: Скапливается внизу электролизера и извлекается под вакуумом. Железо: Скапливается внизу домны, его выливают в ковши

Получение: Побочные продукты. Алюминий: Углекислый газ. Железо: Шлак и углекислый газ

Ответьте на вопросы:

a) Какие химические реакции происходят в данных процессах? Напишите уравнения реакций.

б) Какие элементы в этих реакциях окислители и восстановители?

в) Объясните функции графита, криолита и известняка в каждом из процессов.

г) Объясните, чем похожи эти два процесса.

д) Производство алюминия в три раза дороже, чем железа, хотя алюминий более распространен в природе. Почему?

е) Полученное железо (чугун) затем переводят в сталь. Почему? Назовите несколько преимуществ стали в сравнении с чугуном.

ж) Алюминий и железо необходимо повторно перерабатывать. Почему? Предложите свой вариант использования повторно этих материалов.

з) Где в Казахстане производят алюминий и железо?

а) В данных процессах происходят следующие основные химические реакции:

Производство алюминия (электролиз в расплаве криолита):

Процесс основан на электролизе оксида алюминия $Al_2O_3$, растворенного в расплавленном криолите $Na_3AlF_6$. В качестве анодов используются графитовые электроды, которые сгорают в процессе.

Суммарное уравнение реакции:

$2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$

Производство железа (доменный процесс):

Процесс основан на восстановлении железа из руды (например, гематита $Fe_2O_3$) в доменной печи. Основным восстановителем является угарный газ $CO$, который образуется при сгорании кокса.

Основные уравнения реакций:

1. Горение кокса и образование восстановителя: $C + O_2 \rightarrow CO_2$; $CO_2 + C \rightarrow 2CO$

2. Восстановление железа (происходит поэтапно, но суммарно): $Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

Ответ: Основные реакции: для алюминия $2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$; для железа $Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$.

б) В данных реакциях окислителями и восстановителями являются:

Производство алюминия ($2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$):

- Ион алюминия $Al^{3+}$ (в составе $Al_2O_3$) принимает электроны и восстанавливается до $Al^0$. Следовательно, окислителем является $Al^{3+}$.

- Атом углерода $C^0$ (в графите) отдает электроны и окисляется до $C^{+4}$ (в $CO_2$). Следовательно, восстановителем является углерод $\text{C}$.

Производство железа ($Fe_2O_3 + 3Co \rightarrow 2Fe + 3CO_2$):

- Ион железа $Fe^{3+}$ (в составе $Fe_2O_3$) принимает электроны и восстанавливается до $Fe^0$. Следовательно, окислителем является $Fe^{3+}$.

- Атом углерода $C^{+2}$ (в составе $CO$) отдает электроны и окисляется до $C^{+4}$ (в $CO_2$). Следовательно, восстановителем является угарный газ $CO$ (а первоначальным восстановителем, из которого он получен — кокс $\text{C}$).

Ответ: В производстве алюминия окислитель – $Al^{3+}$, восстановитель – $\text{C}$. В производстве железа окислитель – $Fe^{3+}$, восстановитель – $CO$.

в) Функции реагентов в процессах:

- Графит (в производстве алюминия) выполняет две функции: во-первых, он является материалом для анода, т.е. проводит электрический ток; во-вторых, он участвует в химической реакции, являясь восстановителем, и сгорает, соединяясь с кислородом, выделяющимся из $Al_2O_3$.

- Криолит ($Na_3AlF_6$) используется как растворитель для оксида алюминия $Al_2O_3$. Температура плавления чистого $Al_2O_3$ превышает 2000 o C, что делает электролиз нерентабельным. Криолит позволяет проводить процесс при температуре около 950-1000 o C, значительно снижая энергозатраты.

- Известняк ($CaCO_3$) в производстве железа используется в качестве флюса. Его задача — связывать примеси, содержащиеся в железной руде (например, диоксид кремния $SiO_2$). При высокой температуре известняк разлагается ($CaCO_3 \rightarrow Cao + CO_2$), а образовавшийся оксид кальция $CaO$ реагирует с примесями, образуя легкоплавкий шлак ($Cao + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$). Шлак легче железа, он всплывает на поверхность и легко отделяется.

Ответ: Графит – это анод и восстановитель. Криолит – растворитель для $Al_2O_3$ с целью снижения температуры процесса. Известняк – флюс для удаления примесей из руды путем образования шлака.

г) Несмотря на различия, эти два процесса имеют несколько общих черт:

1. Оба процесса являются металлургическими и протекают при очень высоких температурах.

2. В обоих случаях исходным сырьем является оксид соответствующего металла ($Al_2O_3$ и $Fe_2O_3$).

3. Суть обоих процессов — химическое восстановление металла из его оксида (ион металла принимает электроны и превращается в атом).

4. В обоих процессах в той или иной форме используется углерод (в виде графита для алюминия и кокса для железа).

5. Конечным продуктом является расплавленный металл, который собирается в нижней части аппарата (электролизера или доменной печи).

6. Оба процесса производят углекислый газ в качестве побочного продукта.

Ответ: Оба процесса являются высокотемпературными, восстановительными, используют оксидную руду и углерод в качестве реагентов, а в результате получают расплавленный металл и углекислый газ.

д) Производство алюминия значительно дороже производства железа по нескольким ключевым причинам:

1. Источник энергии: Производство железа использует энергию экзотермических реакций горения кокса — это относительно дешевая химическая энергия. Производство алюминия требует огромного количества электрической энергии для электролиза. Электричество — это дорогой и "обработанный" вид энергии.

2. Подготовка сырья: Бокситы перед электролизом должны пройти сложную и дорогостоящую очистку (процесс Байера) для получения чистого оксида алюминия $Al_2O_3$. Подготовка железной руды проще и дешевле.

3. Расходные материалы: В производстве алюминия используются дорогие материалы, такие как криолит и чистые графитовые аноды, которые к тому же расходуются в процессе.

Ответ: Основная причина дороговизны производства алюминия — это огромные затраты дорогой электрической энергии на электролиз, в то время как производство железа само обеспечивает себя теплом за счет химических реакций. Также на стоимость влияют сложная очистка сырья и дорогие расходные материалы.

е) Чугун, получаемый в доменной печи, содержит много углерода (около 4%) и других примесей. Из-за этого он очень твердый, но хрупкий, и его нельзя ковать или сваривать. Чтобы получить сталь, из чугуна удаляют избыток углерода и вредные примеси (фосфор, серу). Сталь — это сплав железа с углеродом (содержание углерода менее 2%), обладающий гораздо лучшими механическими свойствами.

Преимущества стали по сравнению с чугуном:

1. Пластичность и ковкость: Сталь можно обрабатывать давлением — ковать, прокатывать, штамповать. Чугун при ударе раскалывается.

2. Прочность на разрыв и вязкость: Сталь значительно прочнее и способна выдерживать растягивающие и изгибающие нагрузки, а также ударные воздействия без разрушения.

3. Свариваемость: Большинство видов сталей хорошо свариваются, что позволяет создавать сложные и крупные конструкции.

4. Возможность легирования: Свойства стали можно изменять в широких пределах, добавляя различные элементы (хром, никель, молибден) для получения нержавеющих, жаропрочных и других специализированных сплавов.

Ответ: Чугун переводят в сталь, чтобы удалить излишки углерода и примесей, которые делают его хрупким. Преимущества стали: пластичность, прочность, вязкость и хорошая свариваемость, что делает ее универсальным конструкционным материалом.

ж) Алюминий и железо необходимо повторно перерабатывать (подвергать рециклингу) по следующим причинам:

1. Энергосбережение: Переработка алюминия требует всего около 5% энергии от той, что нужна для его производства из руды. Переработка стали также экономит около 60-75% энергии. Это самая важная причина.

2. Сохранение природных ресурсов: Запасы руд не безграничны. Повторное использование металлов позволяет сохранить их для будущих поколений.

3. Защита окружающей среды: Добыча руды разрушает ландшафты, а первичное производство металлов загрязняет воздух и воду, образуя огромное количество отходов (например, "красный шлам" при производстве глинозема). Рециклинг значительно снижает экологический ущерб.

Варианты использования повторных материалов:

- Переработанный алюминий: Используется для производства новых алюминиевых банок для напитков (классический пример замкнутого цикла), деталей автомобилей (блоки цилиндров, диски), строительных профилей (оконные рамы).

- Переработанное железо (стальной лом): Является важнейшим сырьем в современной металлургии. Его переплавляют в электродуговых печах для производства новой стали, из которой делают арматуру для строительства, кузова автомобилей, бытовую технику, железнодорожные рельсы.

Ответ: Переработка необходима для колоссальной экономии энергии, сохранения природных ресурсов и защиты окружающей среды. Переработанные алюминий и железо используются для производства тех же самых изделий, из которых они были сделаны: банок, деталей машин, строительных материалов.

з) В Казахстане производство алюминия и железа сосредоточено в крупных промышленных регионах:

- Алюминий: Основное производство сосредоточено в городе Павлодар. Здесь находится Павлодарский алюминиевый завод, который производит глинозем (оксид алюминия) из бокситов, и Казахстанский электролизный завод, где из этого глинозема получают первичный алюминий.

- Железо и сталь: Крупнейший центр черной металлургии находится в Карагандинской области, в городе Темиртау (металлургический комбинат "АрселорМиттал Темиртау"). Также добыча и обогащение железной руды ведутся в Костанайской области (город Рудный).

Ответ: Алюминий производят в Павлодаре, а железо и сталь — в Темиртау (Карагандинская область). Добыча железной руды также ведется в Рудном (Костанайская область).