Страница 205 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

5. Железо получают восстановлением красного железняка $Fe_2O_3$ коксом ($C$) и угарным газом. Напишите уравнения реакций.
Почему в промышленности выгоднее использовать кокс?

Напишите уравнения реакций.

Железо получают из красного железняка ($Fe_2O_3$) путем его восстановления. В доменном процессе в качестве восстановителей выступают кокс (углерод $C$) и угарный газ ($CO$), который образуется из кокса.

1. Восстановление оксида железа(III) угарным газом. Это основная реакция восстановления, протекающая в доменной печи:

$Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2$

2. Восстановление оксида железа(III) непосредственно коксом (прямое восстановление). Эта реакция также происходит при очень высоких температурах:

$2Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t} 4Fe + 3CO_2$

Также возможен другой вариант реакции с образованием угарного газа:

$Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO$

Ответ: Уравнения реакций восстановления железа: $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ (угарным газом) и $2Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 4Fe + 3CO_2$ (коксом).

Почему в промышленности выгоднее использовать кокс?

Использование кокса в доменном производстве является экономически выгодным, поскольку он выполняет несколько важнейших функций одновременно, что делает его незаменимым компонентом процесса:

1. Топливо: Кокс — это высококалорийное топливо. Его сгорание в нижней части печи в потоке горячего воздуха ($C + O_2 \rightarrow CO_2$) выделяет огромное количество тепла, обеспечивая температуру (до 2000°C), необходимую для плавления руды, флюсов и самого железа, а также для протекания всех эндотермических реакций.

2. Источник восстановителя: Кокс является источником основного восстановителя — угарного газа ($CO$). Образовавшийся при сгорании кокса диоксид углерода ($CO_2$), поднимаясь вверх, реагирует с раскаленными слоями кокса и восстанавливается до угарного газа ($CO_2 + C \rightarrow 2CO$). Производить восстановитель непосредственно в реакторе (in situ) намного дешевле и технологически проще, чем подавать его извне.

3. Структурная опора: Кокс обладает высокой механической прочностью. В столбе шихты (смеси руды, кокса и флюса) он играет роль каркаса, который не позволяет материалам слеживаться под собственным весом. Это сохраняет рыхлость и газопроницаемость шихты, что критически важно для свободного прохождения горячих газов снизу вверх и равномерного протекания реакций по всему объему печи.

4. Химический реагент: Помимо производства $CO$, кокс участвует в прямом восстановлении железа и других элементов (кремния, марганца) из их оксидов в самой горячей зоне печи. Кроме того, углерод растворяется в расплавленном железе (происходит науглероживание), в результате чего образуется чугун, который имеет более низкую температуру плавления, чем чистое железо, что упрощает его выпуск из печи.

Сочетание этих четырех ролей, а также относительная дешевизна и доступность кокса (его производят из каменного угля) делают его использование экономически наиболее целесообразным.

Ответ: Использование кокса выгодно, потому что он является одновременно: 1) топливом для создания необходимой температуры; 2) источником для производства газообразного восстановителя ($CO$) прямо в печи; 3) прочным каркасом, обеспечивающим газопроницаемость шихты; 4) реагентом для прямого восстановления и науглероживания железа.

6. Цинк получают в промышленности восстановлением углём оксида, полученного при прокаливании на воздухе сфалерита. Какую массу цинка можно получить из 106,7 кг сфалерита, содержащего 10% пустой породы?

Дано:

$m(\text{сфалерита}) = 106,7 \text{ кг}$

$\omega(\text{примесей}) = 10\%$

Масса дана в килограммах, что является единицей системы СИ. Массовую долю для расчетов представим в виде десятичной дроби:

$\omega(\text{примесей}) = 0,1$

Найти:

$m(Zn) - ?$

Решение:

Процесс получения цинка из сфалерита (минерал, основной компонент которого сульфид цинка, $ZnS$) включает две основные стадии:

1. Обжиг сфалерита на воздухе с целью получения оксида цинка ($ZnO$):

$2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2$

2. Восстановление полученного оксида цинка углем (коксом) до металлического цинка:

$ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO$

Для решения задачи сначала определим массу чистого сульфида цинка в руде. Если массовая доля примесей составляет 10%, то массовая доля чистого $ZnS$ равна:

$\omega(ZnS) = 100\% - \omega(\text{примесей}) = 100\% - 10\% = 90\% = 0,9$

Теперь найдем массу чистого $ZnS$ в 106,7 кг сфалерита:

$m(ZnS) = m(\text{сфалерита}) \times \omega(ZnS) = 106,7 \text{ кг} \times 0,9 = 96,03 \text{ кг}$

Далее расчет можно вести двумя способами.

Способ 1: Через количество вещества.

Рассчитаем молярные массы $ZnS$ и $Zn$, используя относительные атомные массы: $A_r(Zn) = 65$, $A_r(S) = 32$. Для удобства будем вести расчет в киломолях (кмоль).

$M(ZnS) = 65 + 32 = 97 \text{ г/моль} = 97 \text{ кг/кмоль}$

$M(Zn) = 65 \text{ г/моль} = 65 \text{ кг/кмоль}$

Найдем количество вещества чистого $ZnS$:

$\nu(ZnS) = \frac{m(ZnS)}{M(ZnS)} = \frac{96,03 \text{ кг}}{97 \text{ кг/кмоль}} = 0,99 \text{ кмоль}$

Из уравнений реакций следует, что из 2 моль $ZnS$ образуется 2 моль $ZnO$, из которых затем получается 2 моль $Zn$ (если вторую реакцию удвоить). Таким образом, соотношение количеств веществ $ZnS$ и $Zn$ составляет 1:1.

$\nu(Zn) = \nu(ZnS) = 0,99 \text{ кмоль}$

Теперь можем найти массу цинка:

$m(Zn) = \nu(Zn) \times M(Zn) = 0,99 \text{ кмоль} \times 65 \text{ кг/кмоль} = 64,35 \text{ кг}$

Способ 2: Через стехиометрические соотношения масс.

Можно составить общую схему превращения: $ZnS \rightarrow Zn$.

Это означает, что из одного моля $ZnS$ (массой 97 г) получается один моль $Zn$ (массой 65 г). Составим пропорцию:

Из $97 \text{ кг}$ $ZnS$ получается $65 \text{ кг}$ $Zn$.

Из $96,03 \text{ кг}$ $ZnS$ получается $x \text{ кг}$ $Zn$.

$\frac{96,03 \text{ кг}}{97 \text{ кг}} = \frac{x}{65 \text{ кг}}$

$x = \frac{96,03 \text{ кг} \times 65 \text{ кг}}{97 \text{ кг}} = 64,35 \text{ кг}$

Оба способа дают идентичный результат.

Ответ: из 106,7 кг сфалерита, содержащего 10% пустой породы, можно получить 64,35 кг цинка.

7. Напишите уравнения электролиза расплавов солей: хлорида калия, бромида кальция.

хлорида калия

Электролиз расплава — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании электрического тока через расплав электролита. В случае хлорида калия ($KCl$) сначала происходит его диссоциация на ионы под действием высокой температуры:

$KCl \xrightarrow{t^\circ} K^+ + Cl^-$

Затем ионы движутся к электродам:

• К катоду (отрицательному электроду) притягиваются положительно заряженные ионы калия ($K^+$). Они принимают электроны (восстанавливаются), образуя металлический калий.
  Процесс на катоде: $K^+ + e^- \rightarrow K^0$
• К аноду (положительному электроду) притягиваются отрицательно заряженные хлорид-ионы ($Cl^-$). Они отдают электроны (окисляются), образуя газообразный хлор.
  Процесс на аноде: $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2^0 \uparrow$

Для составления суммарного уравнения необходимо уравнять число электронов в катодном и анодном процессах. Для этого умножим уравнение процесса на катоде на 2:

$2K^+ + 2e^- \rightarrow 2K$

Суммарное ионное уравнение:

$2K^+ + 2Cl^- \xrightarrow{электролиз} 2K + Cl_2 \uparrow$

Суммарное молекулярное уравнение:

$2KCl \xrightarrow{электролиз} 2K + Cl_2 \uparrow$

Ответ: $2KCl \xrightarrow{электролиз} 2K + Cl_2 \uparrow$.

бромида кальция

Аналогично, при электролизе расплава бромида кальция ($CaBr_2$) он сначала диссоциирует на ионы:

$CaBr_2 \xrightarrow{t^\circ} Ca^{2+} + 2Br^-$

Процессы на электродах:

• На катоде происходит восстановление ионов кальция ($Ca^{2+}$) до металлического кальция.
  Процесс на катоде: $Ca^{2+} + 2e^- \rightarrow Ca^0$
• На аноде происходит окисление бромид-ионов ($Br^-$) до молекулярного брома.
  Процесс на аноде: $2Br^- - 2e^- \rightarrow Br_2^0$

В данном случае число электронов, принятых на катоде и отданных на аноде, равно двум. Поэтому суммарное уравнение электролиза имеет вид:

$CaBr_2 \xrightarrow{электролиз} Ca + Br_2$

Ответ: $CaBr_2 \xrightarrow{электролиз} Ca + Br_2$.

8. Производство натрия основано на электролизе расплава его хлорида. Напишите уравнение реакции. Какой объём хлора (в пересчёте на н. у.) выделился на аноде, если известно, что масса образовавшегося металла равна 69 кг?

Производство натрия основано на электролизе расплава его хлорида (NaCl). При пропускании электрического тока через расплав соли происходит её разложение на простые вещества: металлический натрий на катоде и газообразный хлор на аноде.

Суммарное уравнение реакции электролиза расплава хлорида натрия:

$2NaCl \xrightarrow{электролиз} 2Na + Cl_2 \uparrow$

Для расчёта объёма выделившегося хлора решим задачу.

Дано:

$m(Na) = 69 \text{ кг}$

Перевод в систему СИ (в граммы для удобства расчетов с молярной массой):

$m(Na) = 69 \cdot 1000 = 69000 \text{ г}$

Найти:

$V(Cl_2)$ (н. у.) - ?

Решение:

1. Найдём количество вещества (число молей) образовавшегося металлического натрия. Для этого используем формулу $n = \frac{m}{M}$, где $m$ — масса вещества, а $M$ — его молярная масса.

Молярная масса натрия (Na) согласно периодической таблице Д. И. Менделеева равна $M(Na) = 23$ г/моль.

$n(Na) = \frac{m(Na)}{M(Na)} = \frac{69000 \text{ г}}{23 \text{ г/моль}} = 3000 \text{ моль}$

2. По уравнению реакции $2NaCl \rightarrow 2Na + Cl_2$ определим количество вещества хлора, которое выделилось на аноде. Из уравнения видно, что при образовании 2 моль натрия выделяется 1 моль хлора. Таким образом, количество вещества хлора в два раза меньше количества вещества натрия.

Составим пропорцию по коэффициентам в уравнении:

$\frac{n(Na)}{2} = \frac{n(Cl_2)}{1}$

Отсюда выразим количество вещества хлора:

$n(Cl_2) = \frac{n(Na)}{2} = \frac{3000 \text{ моль}}{2} = 1500 \text{ моль}$

3. Рассчитаем объём выделившегося хлора при нормальных условиях (н. у.). При н. у. (температура 0 °C и давление 1 атм) молярный объём любого газа $V_m$ составляет 22,4 л/моль. Объём газа можно найти по формуле $V = n \cdot V_m$.

$V(Cl_2) = n(Cl_2) \cdot V_m = 1500 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 33600 \text{ л}$

Так как 1 м³ = 1000 л, можно перевести объём в кубические метры:

$V(Cl_2) = \frac{33600 \text{ л}}{1000 \text{ л/м}^3} = 33,6 \text{ м}^3$

Ответ: уравнение реакции: $2NaCl \xrightarrow{электролиз} 2Na + Cl_2$; объём выделившегося хлора при н. у. составляет 33600 л (или 33,6 м³).