Страница 204 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Степень окисления железа в соединении $Fe_2(SO_4)_3$ равна

1) +2

2) +3

3) +4

4) +8

Дано:

Соединение сульфат железа(III) с химической формулой $Fe_2(SO_4)_3$.

Найти:

Степень окисления железа ($Fe$) в данном соединении.

Решение:

Для определения степени окисления элемента в соединении воспользуемся следующими правилами:

1. Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле всегда равна нулю.

2. Сульфат-ион ($SO_4$) является кислотным остатком серной кислоты ($H_2SO_4$) и имеет постоянную степень окисления (заряд), равную -2.

Обозначим неизвестную степень окисления железа ($Fe$) как $x$.

В молекуле $Fe_2(SO_4)_3$ содержатся 2 атома железа ($Fe$) и 3 сульфат-иона ($SO_4$).

Составим алгебраическое уравнение, исходя из того, что суммарный заряд молекулы равен нулю. Сумма произведений числа атомов (или ионных групп) на их степени окисления должна быть равна нулю:

$2 \cdot (\text{степень окисления } Fe) + 3 \cdot (\text{степень окисления } SO_4) = 0$

Подставим известные и неизвестные значения в уравнение:

$2 \cdot x + 3 \cdot (-2) = 0$

Теперь решим полученное уравнение относительно $x$:

$2x - 6 = 0$

$2x = 6$

$x = \frac{6}{2}$

$x = +3$

Следовательно, степень окисления железа в соединении $Fe_2(SO_4)_3$ равна +3. Этот вариант соответствует ответу под номером 2.

Ответ: 2) +3

2. Схеме превращения $Fe \rightarrow Fe^{3+}$ соответствует уравнение химической реакции

1) $Fe_2O_3 + CO = 2FeO + CO_2\uparrow$

2) $FeO + CO = Fe + CO_2\uparrow$

3) $Fe + 2HCl = FeCl_2 + H_2\uparrow$

4) $2Fe + 3Cl_2 = 2FeCl_3$

Решение

Схема превращения $Fe \rightarrow Fe^{3+}$ описывает окислительно-восстановительный процесс, в котором нейтральный атом железа ($Fe^0$) окисляется, теряя три электрона, и превращается в ион железа со степенью окисления +3 ($Fe^{3+}$). Нам нужно найти уравнение реакции, которое иллюстрирует это превращение. Для этого определим степени окисления железа в исходных веществах и продуктах для каждого из предложенных уравнений.

1) $Fe_2O_3 + CO = 2FeO + CO_2\uparrow$
В левой части реакции железо находится в составе оксида железа(III), $Fe_2O_3$. Степень окисления кислорода –2, тогда степень окисления железа +3. В правой части железо находится в оксиде железа(II), $FeO$, где его степень окисления +2. Таким образом, происходит переход $Fe^{3+} \rightarrow Fe^{2+}$. Это процесс восстановления, а не окисления железа.

2) $FeO + CO = Fe + CO_2\uparrow$
В левой части реакции железо находится в оксиде железа(II), $FeO$, где его степень окисления равна +2. В правой части образуется простое вещество – железо, $Fe$, его степень окисления равна 0. Происходит переход $Fe^{2+} \rightarrow Fe^0$. Это также процесс восстановления.

3) $Fe + 2HCl = FeCl_2 + H_2\uparrow$
В левой части находится простое вещество железо, $Fe$, со степенью окисления 0. В правой части образуется хлорид железа(II), $FeCl_2$. В солях галогеноводородных кислот (кроме соединений с фтором и кислородом) галогены имеют степень окисления –1. Следовательно, степень окисления железа здесь +2. Происходит переход $Fe^0 \rightarrow Fe^{2+}$. Это процесс окисления, но железо теряет два электрона, а не три.

4) $2Fe + 3Cl_2 = 2FeCl_3$
В левой части находится простое вещество железо, $Fe$, со степенью окисления 0. В правой части образуется хлорид железа(III), $FeCl_3$. Степень окисления хлора равна –1, значит степень окисления железа +3. Происходит переход $Fe^0 \rightarrow Fe^{3+}$. Этот процесс в точности соответствует заданной схеме превращения.

Ответ: 4

3. В уравнении реакции $Fe_3O_4 + ... \to Fe + CO_2$ вместо многоточия следует поставить формулу

1) алюминия

2) соли

3) водорода

4) оксида углерода(II)

Решение:

Для того чтобы определить неизвестное вещество в уравнении реакции $Fe_3O_4 + ... \rightarrow Fe + CO_2$, необходимо проанализировать состав реагентов и продуктов.

Согласно закону сохранения массы, все химические элементы, которые есть в продуктах реакции (правая часть уравнения), должны присутствовать и в реагентах (левая часть уравнения).

В продуктах реакции мы видим:

• Железо ($Fe$)
• Диоксид углерода ($CO_2$), который состоит из углерода ($C$) и кислорода ($O$).

В известном реагенте, оксиде железа(II,III) ($Fe_3O_4$), содержатся только атомы железа и кислорода. Атомов углерода ($C$) в нем нет. Следовательно, недостающий реагент должен обязательно содержать в своем составе атомы углерода.

Рассмотрим предложенные варианты ответа:

1) алюминия
Формула алюминия — $Al$. Это вещество не содержит углерода, поэтому из него не может образоваться $CO_2$. Этот вариант не подходит.

2) соли
Это общий класс веществ. Хотя некоторые соли (например, карбонаты) содержат углерод, они, как правило, не используются в качестве восстановителей в подобных реакциях для получения чистого металла. Этот вариант маловероятен.

3) водорода
Формула водорода — $H_2$. Он не содержит углерода. При реакции с оксидом железа водород восстанавливает железо, но продуктом будет вода ($H_2O$), а не диоксид углерода ($CO_2$). Этот вариант не подходит.

4) оксида углерода(II)
Формула оксида углерода(II) — $CO$. Это вещество содержит углерод. Оксид углерода(II), или угарный газ, является сильным восстановителем, который широко используется в металлургии для восстановления металлов из их оксидов. В данной реакции $CO$ будет восстанавливать железо из $Fe_3O_4$ до металлического $Fe$, а сам при этом будет окисляться до оксида углерода(IV) ($CO_2$). Этот вариант химически обоснован.

Чтобы окончательно подтвердить правильность выбора, подставим $CO$ в уравнение и сбалансируем его (расставим коэффициенты).

Исходная схема: $Fe_3O_4 + CO \rightarrow Fe + CO_2$

1. Уравняем атомы железа ($Fe$): в левой части 3 атома, значит, в правой тоже должно быть 3.
$Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3Fe + CO_2$

2. Уравняем атомы углерода и кислорода. Это окислительно-восстановительная реакция. Проще всего сбалансировать ее методом подбора или через составление системы уравнений. Пусть перед $CO$ стоит коэффициент $x$, а перед $CO_2$ — коэффициент $y$.
$Fe_3O_4 + xCO \rightarrow 3Fe + yCO_2$
Баланс по углероду ($C$): $x = y$
Баланс по кислороду ($O$): $4 + x = 2y$
Подставим $y=x$ во второе уравнение:
$4 + x = 2x$
$4 = 2x - x$
$x = 4$
Так как $x=y$, то и $y=4$.

Итоговое сбалансированное уравнение реакции:
$Fe_3O_4 + 4CO \rightarrow 3Fe + 4CO_2$

Уравнение сбалансировано, что доказывает правильность выбора.

Ответ: 4) оксида углерода(II)

4. В доменном процессе кокс необходим для получения

1) окислителей

2) восстановителей

3) высоких температур

4) восстановителей и высоких температур

Решение

В доменном процессе, который используется для выплавки чугуна из железной руды, кокс (углерод) выполняет две основные, жизненно важные функции.

1. Источник тепла. Кокс сгорает в потоке горячего воздуха, который подается в нижнюю часть доменной печи. Эта реакция горения является сильно экзотермической, то есть протекает с выделением огромного количества теплоты:
$C + O_2 \rightarrow CO_2$
Выделяющееся тепло разогревает печь до очень высоких температур (порядка 1800-2000°C), которые необходимы для плавления железной руды, флюсов и протекания всех химических превращений. Таким образом, кокс необходим для получения высоких температур.

2. Источник восстановителя. Образовавшийся в результате горения кокса диоксид углерода ($CO_2$) поднимается вверх и реагирует с раскаленными верхними слоями кокса, превращаясь в оксид углерода(II), или угарный газ ($CO$):
$C + CO_2 \rightarrow 2CO$
Оксид углерода(II) является главным восстановителем в доменном процессе. Он отнимает кислород у оксидов железа, содержащихся в руде, восстанавливая их до металлического железа:
$Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$
Таким образом, кокс необходим для получения восстановителей.

Следовательно, кокс в доменном процессе необходим и для получения высоких температур, и для получения восстановителей. Варианты 2) и 3) верны, но являются неполными. Самый полный и точный ответ — вариант 4).

Ответ: 4) восстановителей и высоких температур

5. В состав шихты для загрузки доменной печи входят

1) руда, флюсы, кокс

2) уголь, известняк, железный лом

3) флюсы, уголь, железо

4) кокс, оксид кремния(IV), железо

Решение

Шихта для доменной печи — это смесь исходных материалов, загружаемых в печь для выплавки чугуна. Для правильного ответа необходимо понимать роль каждого компонента в доменном процессе.

• Железная руда — основной источник железа. Как правило, это оксиды железа, например, гематит ($Fe_2O_3$) или магнетит ($Fe_3O_4$). Цель процесса — восстановить железо из этих оксидов.
• Кокс — продукт специальной термической переработки каменного угля без доступа воздуха. В доменной печи кокс выполняет три ключевые функции:
  1. Является топливом. При его сгорании в потоке горячего воздуха выделяется большое количество тепла, необходимое для нагрева шихты до температур плавления и протекания химических реакций.
  2. Является восстановителем. Углерод кокса и, что более важно, образующийся при его неполном сгорании оксид углерода(II) ($CO$) восстанавливают железо из оксидов: $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$.
  3. Служит каркасом или разрыхлителем. Куски кокса создают в столбе шихты пустоты, обеспечивая его газопроницаемость и позволяя горячим восстановительным газам проходить снизу вверх через весь слой материалов.
• Флюсы — это добавки, которые вводят в шихту для образования легкоплавкого шлака. Шлак связывает пустую породу руды (примеси, в основном $SiO_2$, $Al_2O_3$) и золу кокса. Наиболее распространенным флюсом является известняк ($CaCO_3$). При высокой температуре он разлагается на оксид кальция ($CaO$) и углекислый газ. Оксид кальция, являясь основным оксидом, реагирует с кислотным оксидом кремния ($SiO_2$) с образованием силиката кальция: $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$. Полученный шлак не смешивается с жидким чугуном и, имея меньшую плотность, скапливается над ним, что позволяет легко их разделить.

Проанализируем предложенные варианты ответа на основе этой информации:

1) руда, флюсы, кокс
Этот вариант полностью соответствует классическому составу шихты для доменной печи. Он включает источник железа (руда), топливо и восстановитель (кокс), а также компонент для шлакообразования (флюсы).

2) уголь, известняк, железный лом
Этот вариант неверен. В доменной печи используют кокс, а не необработанный каменный уголь, так как уголь содержит летучие вещества и имеет меньшую механическую прочность. Железный лом является сырьем для сталеплавильных процессов (например, в кислородном конвертере или электродуговой печи), а не для доменного.

3) флюсы, уголь, железо
Этот вариант неверен. Как и в предыдущем пункте, используется кокс, а не уголь. Железо (в виде чугуна) является конечным продуктом доменной плавки, а не исходным компонентом шихты.

4) кокс, оксид кремния(IV), железо
Этот вариант неверен. Оксид кремния(IV) ($SiO_2$) — это основная составляющая пустой породы, то есть вредная примесь, которую необходимо удалить из процесса с помощью флюсов, а не компонент, который целенаправленно загружают в печь. Железо, опять же, является продуктом плавки.

Таким образом, правильный состав шихты для загрузки доменной печи указан в первом варианте.

Ответ: 1