Страница 110 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

5. Напишите три уравнения реакций железа с разбавленной азотной кислотой, в которых продуктом восстановления кислоты будет соответственно $N_2$, $NO$, $NH_4NO_3$. Для расстановки коэффициентов в уравнениях химических реакций используйте метод электронного баланса. Определите окислитель и восстановитель в этих реакциях.

Решение

Реакция с образованием N₂

При взаимодействии железа с разбавленной азотной кислотой могут образовываться нитрат железа(III), молекулярный азот и вода. Схема реакции выглядит следующим образом:

$Fe + HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + N_{2} \uparrow + H_{2}O$

Для расстановки коэффициентов используем метод электронного баланса. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$Fe^{0} \rightarrow Fe^{+3}$

$N^{+5} \rightarrow N_{2}^{0}$

Составим полуреакции окисления и восстановления:

$Fe^{0} - 3e^{-} \rightarrow Fe^{+3}$ | 10 (процесс окисления, Fe - восстановитель)

$2N^{+5} + 10e^{-} \rightarrow N_{2}^{0}$ | 3 (процесс восстановления, $HNO_3$ за счет $N^{+5}$ - окислитель)

Наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (3 и 10) равно 30. Поэтому умножаем первую полуреакцию на 10, а вторую на 3. Полученные коэффициенты ставим в уравнение реакции перед соответствующими веществами:

$10Fe + HNO_{3} \rightarrow 10Fe(NO_{3})_{3} + 3N_{2} + H_{2}O$

Теперь уравняем количество атомов азота. Справа у нас $10 \cdot 3 + 3 \cdot 2 = 30 + 6 = 36$ атомов азота. Следовательно, перед $HNO_{3}$ ставим коэффициент 36.

$10Fe + 36HNO_{3} \rightarrow 10Fe(NO_{3})_{3} + 3N_{2} + H_{2}O$

И в последнюю очередь уравниваем атомы водорода и проверяем по кислороду. Слева 36 атомов водорода, значит справа перед водой ставим коэффициент 18 ($18 \cdot 2 = 36$).

Проверка по кислороду: слева $36 \cdot 3 = 108$ атомов, справа $10 \cdot 3 \cdot 3 + 18 \cdot 1 = 90 + 18 = 108$ атомов. Коэффициенты расставлены верно.

Ответ: Уравнение реакции: $10Fe + 36HNO_{3} \rightarrow 10Fe(NO_{3})_{3} + 3N_{2} + 18H_{2}O$. Восстановитель – железо ($Fe$), окислитель – азотная кислота ($HNO_{3}$ за счет $N^{+5}$).

Реакция с образованием NO

При реакции железа с более концентрированной (по сравнению с предыдущим случаем) разбавленной азотной кислотой образуется оксид азота(II).

$Fe + HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NO \uparrow + H_{2}O$

Составим электронный баланс:

$Fe^{0} \rightarrow Fe^{+3}$

$N^{+5} \rightarrow N^{+2}$

Полуреакции:

$Fe^{0} - 3e^{-} \rightarrow Fe^{+3}$ | 1 (процесс окисления, Fe - восстановитель)

$N^{+5} + 3e^{-} \rightarrow N^{+2}$ | 1 (процесс восстановления, $HNO_3$ за счет $N^{+5}$ - окислитель)

Количество отданных и принятых электронов равно, поэтому коэффициенты перед окислителем и восстановителем равны 1.

$Fe + HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NO + H_{2}O$

Уравняем азот: справа $1 \cdot 3 + 1 = 4$ атома, значит перед $HNO_{3}$ ставим 4.

$Fe + 4HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NO + H_{2}O$

Уравняем водород: слева 4 атома, значит перед $H_{2}O$ ставим 2.

Проверка по кислороду: слева $4 \cdot 3 = 12$ атомов, справа $1 \cdot 3 \cdot 3 + 1 + 2 \cdot 1 = 9 + 1 + 2 = 12$ атомов. Все верно.

Ответ: Уравнение реакции: $Fe + 4HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NO + 2H_{2}O$. Восстановитель – железо ($Fe$), окислитель – азотная кислота ($HNO_{3}$ за счет $N^{+5}$).

Реакция с образованием NH₄NO₃

При взаимодействии активных металлов, таких как железо, с очень разбавленной азотной кислотой происходит глубокое восстановление азота до степени окисления -3, в результате чего образуется нитрат аммония.

$Fe + HNO_{3} \rightarrow Fe(NO_{3})_{3} + NH_{4}NO_{3} + H_{2}O$

Составим электронный баланс, учитывая, что в нитрате аммония ($NH_{4}NO_{3}$) один атом азота имеет степень окисления -3 (в катионе $NH_{4}^{+}$), а другой +5 (в анионе $NO_{3}^{-}$).

$Fe^{0} \rightarrow Fe^{+3}$

$N^{+5} \rightarrow N^{-3}$

Полуреакции:

$Fe^{0} - 3e^{-} \rightarrow Fe^{+3}$ | 8 (процесс окисления, Fe - восстановитель)

$N^{+5} + 8e^{-} \rightarrow N^{-3}$ | 3 (процесс восстановления, $HNO_3$ за счет $N^{+5}$ - окислитель)

Наименьшее общее кратное для 3 и 8 равно 24. Умножаем первую полуреакцию на 8, вторую на 3. Ставим коэффициенты в уравнение:

$8Fe + HNO_{3} \rightarrow 8Fe(NO_{3})_{3} + 3NH_{4}NO_{3} + H_{2}O$

Уравняем азот: справа $8 \cdot 3 + 3 \cdot 2 = 24 + 6 = 30$ атомов азота. Ставим коэффициент 30 перед $HNO_{3}$.

$8Fe + 30HNO_{3} \rightarrow 8Fe(NO_{3})_{3} + 3NH_{4}NO_{3} + H_{2}O$

Уравняем водород: слева 30 атомов. Справа в $3NH_{4}NO_{3}$ содержится $3 \cdot 4 = 12$ атомов водорода. Значит, в молекулах воды должно быть $30 - 12 = 18$ атомов водорода. Ставим коэффициент 9 перед $H_{2}O$.

Проверка по кислороду: слева $30 \cdot 3 = 90$ атомов, справа $8 \cdot 3 \cdot 3 + 3 \cdot 3 + 9 \cdot 1 = 72 + 9 + 9 = 90$ атомов. Все верно.

Ответ: Уравнение реакции: $8Fe + 30HNO_{3} \rightarrow 8Fe(NO_{3})_{3} + 3NH_{4}NO_{3} + 9H_{2}O$. Восстановитель – железо ($Fe$), окислитель – азотная кислота ($HNO_{3}$ за счет $N^{+5}$).

6. Вычислите объём оксида углерода (II) (н. у.), который потребуется для восстановления железа из 2,32 т магнитного железняка, содержащего 5% пустой породы. Вычислите количество вещества железа, которое при этом получится, если выход его составляет 80% от теоретически возможного.

Дано:

$m_{железняка} = 2,32 \text{ т}$

$\omega_{пустой \ породы} = 5\%$

$\eta_{Fe} = 80\%$

Условия: н. у. (нормальные условия)

Перевод в СИ:

$m_{железняка} = 2,32 \text{ т} = 2,32 \cdot 10^6 \text{ г} = 2320000 \text{ г}$

$\omega_{пустой \ породы} = 0,05$

$\eta_{Fe} = 0,8$

Найти:

$V(CO) - ?$

$n_{практ}(Fe) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции восстановления железа из магнитного железняка (основной компонент $Fe_3O_4$) оксидом углерода (II):

$Fe_3O_4 + 4CO \rightarrow 3Fe + 4CO_2$

2. Рассчитаем массовую долю чистого $Fe_3O_4$ в руде. Если массовая доля примесей (пустой породы) составляет 5%, то массовая доля $Fe_3O_4$ равна:

$\omega(Fe_3O_4) = 100\% - 5\% = 95\% = 0,95$

3. Найдем массу чистого $Fe_3O_4$ в 2,32 т железняка:

$m(Fe_3O_4) = m_{железняка} \cdot \omega(Fe_3O_4) = 2320000 \text{ г} \cdot 0,95 = 2204000 \text{ г}$

4. Рассчитаем молярную массу $Fe_3O_4$:

$M(Fe_3O_4) = 3 \cdot M(Fe) + 4 \cdot M(O) \approx 3 \cdot 56 \text{ г/моль} + 4 \cdot 16 \text{ г/моль} = 232 \text{ г/моль}$

5. Найдем количество вещества $Fe_3O_4$:

$n(Fe_3O_4) = \frac{m(Fe_3O_4)}{M(Fe_3O_4)} = \frac{2204000 \text{ г}}{232 \text{ г/моль}} = 9500 \text{ моль}$

Далее, рассчитаем искомые величины.

Вычисление объёма оксида углерода (II)

Согласно уравнению реакции, для восстановления 1 моль $Fe_3O_4$ требуется 4 моль $CO$. Найдем количество вещества $CO$, необходимое для реакции:

$n(CO) = 4 \cdot n(Fe_3O_4) = 4 \cdot 9500 \text{ моль} = 38000 \text{ моль}$

Объём газа при нормальных условиях (н. у.) рассчитывается с использованием молярного объёма $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$:

$V(CO) = n(CO) \cdot V_m = 38000 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 851200 \text{ л}$

Переведем объём в кубические метры ($1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$):

$V(CO) = \frac{851200 \text{ л}}{1000 \text{ л/м}^3} = 851,2 \text{ м}^3$

Ответ: для восстановления железа потребуется $851,2 \text{ м}^3$ оксида углерода (II).

Вычисление количества вещества железа

Согласно уравнению реакции, из 1 моль $Fe_3O_4$ теоретически можно получить 3 моль $Fe$. Рассчитаем теоретически возможное количество вещества железа:

$n_{теор}(Fe) = 3 \cdot n(Fe_3O_4) = 3 \cdot 9500 \text{ моль} = 28500 \text{ моль}$

Практический выход железа составляет 80% от теоретического. Рассчитаем практическое количество вещества полученного железа:

$n_{практ}(Fe) = n_{теор}(Fe) \cdot \eta_{Fe} = 28500 \text{ моль} \cdot 0,8 = 22800 \text{ моль}$

Это количество вещества также можно выразить в киломолях: $22800 \text{ моль} = 22,8 \text{ кмоль}$.

Ответ: при 80% выходе получится $22800 \text{ моль}$ (или $22,8 \text{ кмоль}$) железа.

7. Используя свои знания по химии железа, напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или химического процесса».

Железо... В этом коротком слове слышится звон мечей и лязг доспехов, гул заводских цехов и тихий шепот ржавчины на старом заборе. Это не просто химический элемент с порядковым номером 26 в таблице Менделеева. Это – истинный герой с многогранным характером, чья история – это эпос о силе, жизни, борьбе и увядании.

Художественный образ железа-воина

Представим себе железо в его первозданной чистоте – блестящий, серебристо-белый металл, твердый и ковкий. Это образ могучего воина, несокрушимого и надежного. Его кристаллическая решетка – это стройные ряды его армии, готовой выдержать колоссальные нагрузки. Недаром целые эпохи в истории человечества названы его именем. Из него ковали мечи, что решали судьбы королевств, и плуги, что кормили народы. Оно стало скелетом нашей цивилизации – каркасом небоскребов, рельсами, что соединяют города, и корпусами кораблей, покоряющих океаны. Этот воин, элемент $d$-семейства, скрывает в своих электронных оболочках ($...3d^64s^2$) потенциал для великих свершений. Он тверд, но пластичен, силен, но покоряется руке мастера.

Художественный образ железа-жизнедавца

Но у этого сурового воина есть и другая, сокровенная ипостась. Железо – это не только сталь и мощь, но и сама жизнь. Внутри каждого из нас течет алая река, и в каждой её капле, в молекуле гемоглобина, бьется «сердце» – ион железа $Fe^{2+}$. Окруженный сложной органической структурой, словно драгоценный камень в оправе, он выполняет величайшую миссию: захватывает в легких молекулы кислорода и разносит их по всему телу, даруя энергию каждой клетке. Без этого микроскопического труженика жизнь была бы невозможна. Здесь железо предстает не грозным воином, а заботливым хранителем, тихим и незаменимым творцом жизни.

Художественный образ процесса коррозии – медленная смерть героя

Однако ничто не вечно, и даже самый могучий воин уязвим. Главный враг железа – коварен и вездесущ. Это кислород и вода. Их союз рождает безжалостный процесс – коррозию, или, как мы привыкли говорить, ржавление. Это медленная, тихая битва, в которой железо обречено на поражение.

Представим, как капля воды ложится на стальную поверхность. Она становится ареной для электрохимической драмы. Атомы железа ($Fe$) начинают жертвовать собой, отдавая электроны и превращаясь в ионы $Fe^{2+}$:
$Fe - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$

В это же время на другом участке, в присутствии воды, кислород принимает эти электроны, превращаясь в гидроксид-ионы:
$O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$

Ионы встречаются, образуя сперва нестойкий, зеленоватый осадок гидроксида железа(II), $Fe(OH)_2$. Но кислород не дремлет. Он продолжает свою атаку, окисляя двухвалентное железо до трехвалентного. И вот уже на месте блестящего металла появляется рыхлый, бурый налет гидроксида железа(III), $Fe(OH)_3$ – та самая ржавчина.
Суммарное уравнение этого трагического превращения выглядит так:
$4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$

Ржавчина – это кровь раненого металла. Она не защищает его, а, наоборот, впитывает влагу и ускоряет разрушение. Могучий воин медленно превращается в прах, напоминая о бренности всего сущего. Его былая сила и блеск сменяются хрупкостью и тусклым, печальным цветом.

Художественный образ железа-хамелеона

В своих соединениях железо проявляет себя как настоящий художник, играя с цветом. Соединения железа(II) часто окрашены в нежные, зеленоватые тона, словно весенняя листва. А соединения железа(III) предпочитают огненную палитру – от желтого и оранжевого до насыщенного красно-коричневого, цвета осеннего леса и той самой ржавчины. В лаборатории железо способно создавать настоящие шедевры: ион $Fe^{3+}$ с роданид-ионом ($SCN^−$) дает кроваво-красное окрашивание, напоминая о своей роли в гемоглобине, а в реакции с гексацианоферратами рождается знаменитая «берлинская лазурь» – глубокий, завораживающий синий цвет.

Так, железо – это не просто химический элемент. Это персонаж с богатой судьбой: воин, дарующий цивилизацию, жизнедавец, без которого немыслимо дыхание, и трагический герой, вечно борющийся с неумолимым увяданием. Его история, рассказанная языком химических реакций, полна драматизма и красоты.

Ответ:
Сочинение на тему «Художественный образ вещества или химического процесса» представлено выше. В нем раскрываются различные образы железа (воин, жизнедавец, хамелеон) и художественно описывается химический процесс его коррозии, подкрепленный химическими уравнениями и свойствами элемента.