Номер 4, страница 217 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

4. В промышленности белый фосфор получают прокаливанием смеси фосфата кальция с песком и коксом согласно уравнению:

$2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + \underset{\text{кокс}}{10C} \stackrel{t}{=} 6CaSiO_3 + P_4 + 10CO\uparrow$

Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

Придумайте и решите задачу на определение массы фосфора при известном выходе его от теоретически возможного, в условии задачи укажите массу исходного фосфата кальция и долю примесей в нём.

Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

В данной реакции происходит изменение степеней окисления у фосфора и углерода. Рассмотрим их подробно.

Уравнение реакции: $2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \xrightarrow{t} 6CaSiO_3 + P_4 + 10CO\uparrow$

Определим степени окисления элементов до и после реакции:

• Фосфор (P): в фосфате кальция $Ca_3(P^{+5}O^{-2}_4)_2$ имеет степень окисления $+5$. В продуктах реакции образуется простое вещество — белый фосфор $P_4^0$, где его степень окисления равна $0$. Фосфор понижает свою степень окисления, следовательно, он является окислителем и подвергается восстановлению.
• Углерод (C): в виде кокса является простым веществом $C^0$, его степень окисления равна $0$. В продуктах реакции углерод входит в состав оксида углерода(II) $C^{+2}O^{-2}$, где его степень окисления равна $+2$. Углерод повышает свою степень окисления, следовательно, он является восстановителем и подвергается окислению.
• Степени окисления кальция ($+2$), кремния ($+4$) и кислорода ($-2$) не изменяются.

Составим электронный баланс:

$P^{+5} + 5e^- \rightarrow P^0$ | 4 (процесс восстановления)

$C^0 - 2e^- \rightarrow C^{+2}$ | 10 (процесс окисления)

Учитывая стехиометрические коэффициенты в уравнении, полные процессы можно записать так:

$2P_2^{+5} + 20e^- \rightarrow P_4^0$ (в $2Ca_3(PO_4)_2$ содержится 4 атома фосфора)

$10C^0 - 20e^- \rightarrow 10C^{+2}$

Ответ: В ходе реакции фосфор $P^{+5}$ в составе фосфата кальция является окислителем, он восстанавливается до простого вещества $P^0$. Углерод $C^0$ (кокс) является восстановителем, он окисляется до $C^{+2}$ в составе оксида углерода(II).

Придумайте и решите задачу на определение массы фосфора при известном выходе его от теоретически возможного, в условии задачи укажите массу исходного фосфата кальция и долю примесей в нём.

Условие задачи: При прокаливании 700 кг фосфорита, содержащего 12% примесей, с избытком кокса и песка был получен белый фосфор. Выход продукта составил 90% от теоретически возможного. Определите массу полученного фосфора.

Дано:
$m(сырья) = 700\ кг$
$\omega(примесей) = 12\%$
$\eta(P_4) = 90\%$

Найти:
$m_{практ.}(P_4) - ?$

Решение:

1. Определим массовую долю чистого фосфата кальция $Ca_3(PO_4)_2$ в фосфорите.

$\omega(Ca_3(PO_4)_2) = 100\% - \omega(примесей) = 100\% - 12\% = 88\% = 0.88$

2. Найдем массу чистого фосфата кальция, вступившего в реакцию.

$m(Ca_3(PO_4)_2) = m(сырья) \cdot \omega(Ca_3(PO_4)_2) = 700\ кг \cdot 0.88 = 616\ кг$

3. Рассчитаем молярные массы фосфата кальция и фосфора. Будем использовать единицы кг/кмоль для удобства.

$M(Ca_3(PO_4)_2) = 3 \cdot 40.08 + 2 \cdot (30.97 + 4 \cdot 16.00) \approx 120.24 + 2 \cdot 94.97 = 310.18 \approx 310\ кг/кмоль$

$M(P_4) = 4 \cdot 30.97 = 123.88 \approx 124\ кг/кмоль$

4. Найдем количество вещества (в киломолях) чистого фосфата кальция.

$n(Ca_3(PO_4)_2) = \frac{m(Ca_3(PO_4)_2)}{M(Ca_3(PO_4)_2)} = \frac{616\ кг}{310\ кг/кмоль} \approx 1.987\ кмоль$

5. По уравнению реакции найдем теоретическое количество вещества фосфора $P_4$.

$2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \rightarrow 6CaSiO_3 + P_4 + 10CO$

Из уравнения видно, что из 2 кмоль $Ca_3(PO_4)_2$ образуется 1 кмоль $P_4$. Составим пропорцию:

$\frac{n(Ca_3(PO_4)_2)}{2} = \frac{n_{теор.}(P_4)}{1}$

$n_{теор.}(P_4) = \frac{n(Ca_3(PO_4)_2)}{2} = \frac{1.987\ кмоль}{2} \approx 0.9935\ кмоль$

6. Рассчитаем теоретически возможную массу фосфора.

$m_{теор.}(P_4) = n_{теор.}(P_4) \cdot M(P_4) = 0.9935\ кмоль \cdot 124\ кг/кмоль \approx 123.2\ кг$

7. Определим практическую массу полученного фосфора с учетом выхода продукта.

$m_{практ.}(P_4) = m_{теор.}(P_4) \cdot \eta(P_4) = 123.2\ кг \cdot 0.9 = 110.88\ кг$

Ответ: масса полученного фосфора составляет 110.88 кг.