Страница 123 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

5. Из оксида железа $Fe_3O_4$ можно получить железо алюминотермическим способом. Составьте уравнение этой реакции и покажите переход электронов.

Решение

Алюминотермия — это метод получения металлов путем восстановления их оксидов порошкообразным алюминием. Алюминий является более активным металлом, чем железо, и поэтому вытесняет его из оксида. В данном случае реакция протекает между алюминием ($Al$) и оксидом железа(II, III) или железной окалиной ($Fe_3O_4$).

Данная реакция является окислительно-восстановительной. Для того чтобы составить уравнение, необходимо определить, какие элементы изменяют свою степень окисления, и составить электронный баланс.

1. Определяем степени окисления:

• Алюминий ($Al$) вступает в реакцию как простое вещество со степенью окисления 0, а в продукте ($Al_2O_3$) его степень окисления становится +3.
• Железо в $Fe_3O_4$ имеет смешанную степень окисления (это оксид вида $FeO \cdot Fe_2O_3$, т.е. содержит ионы $Fe^{+2}$ и $Fe^{+3}$). Средняя степень окисления железа равна $+8/3$. В продуктах образуется простое вещество железо ($Fe$) со степенью окисления 0.

2. Показываем переход электронов:

Алюминий отдает электроны, его степень окисления повышается — он окисляется и является восстановителем.

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$

Железо принимает электроны, его степень окисления понижается — оно восстанавливается. $Fe_3O_4$ является окислителем.

$Fe_3^{+8/3} + 8e^- \rightarrow 3Fe^0$

3. Находим коэффициенты методом электронного баланса:

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ | 8
$Fe_3^{+8/3} + 8e^- \rightarrow 3Fe^0$ | 3

Наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (3 и 8) равно 24. Таким образом, коэффициент перед алюминием ($Al$) будет 8, а перед оксидом железа ($Fe_3O_4$) будет 3.

4. Составляем итоговое уравнение реакции, расставляя коэффициенты:

$8Al + 3Fe_3O_4 \rightarrow 9Fe + 4Al_2O_3$

Ответ:

Уравнение реакции получения железа из оксида железа $Fe_3O_4$ алюминотермическим способом:
$8Al + 3Fe_3O_4 \rightarrow 9Fe + 4Al_2O_3$

Переход электронов:
$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ (окисление, Al — восстановитель)
$Fe_3^{+8/3} + 8e^- \rightarrow 3Fe^0$ (восстановление, $Fe_3O_4$ — окислитель)

6. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно получить железо из пирита $FeS_2$. Проставьте степени окисления и покажите переход электронов.

Решение

Получение железа из пирита ($FeS_2$) — это многостадийный промышленный процесс, который включает две основные химические реакции: обжиг пирита для получения оксида железа и последующее восстановление этого оксида до металлического железа.

Стадия 1: Обжиг пирита

На первой стадии пирит обжигают (нагревают при доступе воздуха), чтобы превратить сульфид железа в оксид железа(III). Побочным продуктом является сернистый газ (оксид серы(IV)).

Уравнение реакции с расставленными степенями окисления:

$4\stackrel{+2}{Fe}\stackrel{-1}{S_2} + 11\stackrel{0}{O_2} \xrightarrow{t} 2\stackrel{+3}{Fe_2}\stackrel{-2}{O_3} + 8\stackrel{+4}{S}\stackrel{-2}{O_2}$

Покажем переход электронов. В пирите ($FeS_2$) железо имеет степень окисления +2, а сера -1 (в составе дисульфид-иона $S_2^{2-}$). Оба элемента окисляются. Кислород восстанавливается.

$\stackrel{+2}{Fe} - 1e^- \rightarrow \stackrel{+3}{Fe}$
$\stackrel{-1}{S} - 5e^- \rightarrow \stackrel{+4}{S}$
В одной формульной единице $FeS_2$ находятся один атом железа и два атома серы, поэтому суммарно она отдает $1 + 2 \cdot 5 = 11$ электронов.

Составим электронный баланс:

$4 \times | (\stackrel{+2}{Fe}\stackrel{-1}{S_2})^0 - 11e^- \rightarrow \stackrel{+3}{Fe} + 2\stackrel{+4}{S}$ (окисление, $FeS_2$ — восстановитель)
$11 \times | \stackrel{0}{O_2} + 4e^- \rightarrow 2\stackrel{-2}{O}$ (восстановление, $O_2$ — окислитель)

Стадия 2: Восстановление железа из оксида

На второй стадии полученный оксид железа(III) ($Fe_2O_3$) восстанавливают в доменной печи. Основным восстановителем является угарный газ ($CO$).

Уравнение реакции со степенями окисления:

$\stackrel{+3}{Fe_2}\stackrel{-2}{O_3} + 3\stackrel{+2}{C}\stackrel{-2}{O} \xrightarrow{t} 2\stackrel{0}{Fe} + 3\stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O_2}$

Переход электронов для этой реакции:

$2 \times | \stackrel{+3}{Fe} + 3e^- \rightarrow \stackrel{0}{Fe}$ (восстановление, $Fe_2O_3$ — окислитель)
$3 \times | \stackrel{+2}{C} - 2e^- \rightarrow \stackrel{+4}{C}$ (окисление, $CO$ — восстановитель)

Ответ:

Уравнения реакций, при помощи которых можно получить железо из пирита:
1. $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$
2. $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

7. Какую массу чистого железа можно получить из 250 т руды с массовой долей пирита $FeS_2$ 0,7, если выход продукта реакции составляет $82\%$?

Дано:

$m(\text{руды}) = 250 \text{ т}$
$w(FeS_2) = 0,7$
$\eta = 82\% = 0,82$

$m(\text{руды}) = 250 \text{ т} = 250 \cdot 10^3 \text{ кг} = 2,5 \cdot 10^5 \text{ кг}$

Найти:

$m(\text{Fe}) - ?$

Решение:

1. Первым шагом определим массу чистого пирита ($FeS_2$) в руде, зная его массовую долю.

$m(FeS_2) = m(\text{руды}) \cdot w(FeS_2) = 250 \text{ т} \cdot 0,7 = 175 \text{ т}$

2. Далее найдем теоретически возможную массу железа ($m_{теор}(Fe)$), которую можно получить из 175 т пирита. Для этого нам потребуются молярные массы железа ($Fe$) и пирита ($FeS_2$).

Молярная масса железа: $M(Fe) \approx 56 \text{ г/моль}$.
Молярная масса пирита: $M(FeS_2) = M(Fe) + 2 \cdot M(S) \approx 56 + 2 \cdot 32 = 120 \text{ г/моль}$.

Независимо от количества стадий химического процесса, количество вещества железа, которое можно получить, стехиометрически равно количеству вещества пирита, так как в одной формульной единице $FeS_2$ содержится один атом $Fe$.

$n_{теор}(Fe) = n(FeS_2)$

Используя формулу количества вещества $n = \frac{m}{M}$, можно составить пропорцию для нахождения теоретической массы железа:

$\frac{m_{теор}(Fe)}{M(Fe)} = \frac{m(FeS_2)}{M(FeS_2)}$

Выразим из этой пропорции $m_{теор}(Fe)$:

$m_{теор}(Fe) = \frac{m(FeS_2) \cdot M(Fe)}{M(FeS_2)} = \frac{175 \text{ т} \cdot 56 \text{ г/моль}}{120 \text{ г/моль}} \approx 81,67 \text{ т}$

3. На последнем шаге рассчитаем практическую массу железа ($m_{практ}(Fe)$) с учетом того, что выход продукта реакции ($\eta$) составляет 82%.

$m_{практ}(Fe) = m_{теор}(Fe) \cdot \eta$

$m_{практ}(Fe) \approx 81,67 \text{ т} \cdot 0,82 \approx 66,97 \text{ т}$

Ответ:можно получить 66,97 т чистого железа.

1. Самый лёгкий из металлов — это

1) магний

2) литий

3) алюминий

4) натрий

Самый лёгкий из металлов — это

Для того чтобы определить, какой из предложенных металлов является самым лёгким, необходимо сравнить их плотности. Самый лёгкий металл — это металл с наименьшей плотностью. Плотность (обозначается греческой буквой $\rho$) — это физическая величина, равная отношению массы тела к его объёму.

Сравним плотности металлов, перечисленных в вариантах ответа, при стандартных условиях (температура 20 °C, давление 1 атмосфера):
1) Плотность магния (Mg): $\rho_{Mg} \approx 1,74 \text{ г/см}^3$.
2) Плотность лития (Li): $\rho_{Li} \approx 0,534 \text{ г/см}^3$.
3) Плотность алюминия (Al): $\rho_{Al} \approx 2,70 \text{ г/см}^3$.
4) Плотность натрия (Na): $\rho_{Na} \approx 0,971 \text{ г/см}^3$.

Расположив металлы в порядке возрастания их плотности, получаем следующую последовательность:
Литий (0,534 г/см³) < Натрий (0,971 г/см³) < Магний (1,74 г/см³) < Алюминий (2,70 г/см³).
Математически это неравенство выглядит так: $\rho_{Li} < \rho_{Na} < \rho_{Mg} < \rho_{Al}$.

Из сравнения видно, что литий (Li) имеет самую низкую плотность. Он является самым лёгким металлом не только среди перечисленных, но и среди всех металлов в принципе. Его плотность меньше плотности воды (которая составляет примерно $1 \text{ г/см}^3$), поэтому он будет плавать на её поверхности.

Ответ: 2) литий

2. Самый тугоплавкий из металлов — это

1) осмий

2) вольфрам

3) хром

4) галлий

Для того чтобы определить самый тугоплавкий металл, необходимо сравнить температуры плавления металлов, предложенных в вариантах ответа. Тугоплавкость — это свойство материала сохранять твердое состояние при высоких температурах. Соответственно, самый тугоплавкий металл будет иметь самую высокую температуру плавления.

Рассмотрим температуры плавления каждого металла:
1) Осмий (Os) — очень плотный и твёрдый металл платиновой группы. Его температура плавления составляет примерно $3033^\circ\text{C}$.
2) Вольфрам (W) — переходный металл, который обладает самой высокой температурой плавления среди всех металлов. Она составляет около $3422^\circ\text{C}$. Благодаря этому уникальному свойству вольфрам широко применяется для изготовления нитей накаливания в лампах и нагревательных элементов в высокотемпературных печах.
3) Хром (Cr) — твёрдый, блестящий металл, его температура плавления значительно ниже и составляет около $1907^\circ\text{C}$.
4) Галлий (Ga) — наоборот, является одним из самых легкоплавких металлов. Его температура плавления всего $29,76^\circ\text{C}$, что позволяет ему плавиться от тепла человеческой руки.

Сравнивая эти значения ($3422^\circ\text{C} > 3033^\circ\text{C} > 1907^\circ\text{C} > 29,76^\circ\text{C}$), приходим к выводу, что вольфрам является самым тугоплавким металлом из представленного списка.

Ответ: 2) вольфрам.

3. В уравнении химической реакции $Fe_3O_4$ + ... $\rightarrow$ Fe + $H_2O$ вместо многоточия следует написать формулу

1) углерода

2) водорода

3) воды

4) оксида углерода(II)

Дано:

Схема химической реакции: $Fe_3O_4 + ... \rightarrow Fe + H_2O$

Найти:

Формулу вещества, которую следует написать вместо многоточия.

Решение:

Рассмотрим данную схему химической реакции. Согласно закону сохранения массы, количество атомов каждого химического элемента в левой части уравнения (реагенты) должно быть равно количеству атомов этого же элемента в правой части уравнения (продукты).

В правой части уравнения, в продуктах реакции, мы видим чистое железо ($Fe$) и воду ($H_2O$). Вода состоит из атомов водорода ($H$) и кислорода ($O$).

В левой части уравнения, в реагентах, нам известен только оксид железа(II, III) или железная окалина ($Fe_3O_4$). Он состоит из атомов железа ($Fe$) и кислорода ($O$).

Сравнивая состав реагентов и продуктов, мы видим, что в продуктах присутствуют атомы водорода, которых нет в известном реагенте $Fe_3O_4$. Следовательно, недостающее вещество должно содержать атомы водорода.

Теперь проанализируем предложенные варианты ответа:

1. углерод (формула $C$) - не содержит водорода.
2. водород (формула $H_2$) - содержит водород.
3. вода (формула $H_2O$) - содержит водород, но вода уже является продуктом реакции. Реакция $Fe_3O_4$ с водой не приводит к образованию чистого железа в таких условиях.
4. оксид углерода(II) (формула $CO$) - не содержит водорода.

Единственным подходящим вариантом является водород ($H_2$). Водород является хорошим восстановителем и способен восстанавливать металлы из их оксидов при нагревании.

Подставим водород в уравнение и уравняем его:

$Fe_3O_4 + H_2 \rightarrow Fe + H_2O$

Сначала уравняем количество атомов железа:

$Fe_3O_4 + H_2 \rightarrow 3Fe + H_2O$

Теперь уравняем количество атомов кислорода:

$Fe_3O_4 + H_2 \rightarrow 3Fe + 4H_2O$

И в последнюю очередь уравняем количество атомов водорода:

$Fe_3O_4 + 4H_2 \rightarrow 3Fe + 4H_2O$

Проверяем: слева 3 атома Fe, 4 атома O, 8 атомов H. Справа 3 атома Fe, 4 атома O, 8 атомов H. Уравнение составлено верно.

Таким образом, вместо многоточия следует написать формулу водорода.

Ответ: 2) водорода.

Выберите любой металл и, используя дополнительную литературу и Интернет, подготовьте сообщение о свойствах этого металла и его применении.

Сообщение о свойствах и применении алюминия

Алюминий (химический символ — $Al$, от лат. Aluminium) — химический элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы третьей группы, IIIA) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Алюминий — самый распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Алюминий обладает уникальным набором физических и химических свойств, которые определяют его широкое применение.

Физические свойства:

• Это лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета.
• Плотность алюминия составляет всего $2,7 \text{ г/см}^3$, что примерно в три раза меньше плотности стали или меди.
• Обладает высокой тепло- и электропроводностью (уступая только серебру, золоту и меди).
• Температура плавления — $660,3 \text{ °C}$, температура кипения — $2519 \text{ °C}$.
• Очень пластичен: легко поддаётся формовке, прокатывается в тонкую фольгу и вытягивается в проволоку.

Химические свойства:

• Алюминий — химически активный металл. На воздухе он мгновенно покрывается тонкой, но очень прочной оксидной плёнкой $Al_2O_3$, которая защищает его от дальнейшего окисления и коррозии. Это явление называется пассивацией.
• Благодаря этой плёнке он не реагирует с водой и концентрированной азотной кислотой при обычных условиях.
• Алюминий проявляет амфотерные свойства, то есть реагирует как с кислотами (с выделением водорода), так и с щелочами (с образованием алюминатов и выделением водорода).
  $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$
  $2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$
• При высоких температурах алюминий является сильным восстановителем. Это свойство используется в алюминотермии для получения других металлов из их оксидов.
  $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$

Благодаря своим свойствам — лёгкости, прочности (в сплавах), коррозионной стойкости и хорошей электропроводности — алюминий нашёл применение практически во всех сферах человеческой деятельности.

• Транспорт: Алюминий и его сплавы (например, дюралюминий) являются незаменимыми материалами в авиа- и ракетостроении. Из них делают фюзеляжи самолётов, детали двигателей, элементы космических кораблей. В автомобилестроении он используется для изготовления кузовных панелей, дисков колёс, блоков цилиндров, что позволяет снизить массу автомобиля и расход топлива.
• Строительство: В строительстве алюминий используется для создания оконных рам, дверей, фасадных систем, подвесных потолков и кровельных материалов. Его лёгкость упрощает монтаж, а стойкость к коррозии обеспечивает долговечность конструкций.
• Упаковка: Алюминиевая фольга и банки для напитков — одни из самых распространённых видов упаковки. Алюминий нетоксичен, не пропускает свет, влагу и запахи, что позволяет долго сохранять продукты. Кроме того, алюминиевая тара полностью подлежит вторичной переработке.
• Электротехника: Из-за высокой электропроводности и меньшего веса по сравнению с медью, алюминий широко используется для изготовления электрических проводов и кабелей, особенно для высоковольтных линий электропередач.
• Бытовая техника и потребительские товары: Из алюминия делают посуду (кастрюли, сковороды), корпуса смартфонов, ноутбуков, радиаторы охлаждения в электронике, а также элементы мебели и спортивный инвентарь.

Ответ: В сообщении представлены основные физические и химические свойства алюминия, такие как низкая плотность, высокая электро- и теплопроводность, пластичность, а также химическая активность, приводящая к образованию защитной оксидной плёнки. Описаны ключевые области применения алюминия и его сплавов, включая транспорт, строительство, производство упаковки, электротехнику и потребительские товары.