Страница 189 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

3. К каким классам относятся основные вещества природных соединений металлов? Приведите примеры минералов, основные вещества которых относятся к разным классам. Напишите химические формулы минералов.

Основные вещества, из которых состоят природные соединения металлов (минералы), относятся к различным классам неорганических соединений. Чаще всего металлы в природе встречаются в виде оксидов, сульфидов, галогенидов, карбонатов, сульфатов, силикатов и фосфатов. Некоторые, преимущественно малоактивные металлы, могут встречаться и в самородном виде (как простые вещества).

Ниже приведены примеры минералов, основные вещества которых относятся к разным классам.

Оксиды

К этому классу относятся соединения металлов с кислородом. Примером может служить минерал гематит, также известный как красный железняк, который является основной железной рудой.

Ответ: гематит (красный железняк), химическая формула: $Fe_2O_3$.

Сульфиды

К этому классу относятся соединения металлов с серой. Широко распространенным минералом этого класса является пирит, или серный (железный) колчедан, который из-за своего золотистого блеска получил прозвище "золото дураков".

Ответ: пирит (железный колчедан), химическая формула: $FeS_2$.

Галогениды

К этому классу относятся соединения металлов с галогенами (фтором, хлором, бромом, иодом). Самым известным примером является галит, или каменная соль.

Ответ: галит (каменная соль), химическая формула: $NaCl$.

Карбонаты

К этому классу относятся соли угольной кислоты. Примером служит минерал кальцит (известковый шпат), который является основной составной частью известняка, мела и мрамора.

Ответ: кальцит (известковый шпат), химическая формула: $CaCO_3$.

Сульфаты

К этому классу относятся соли серной кислоты. Распространенным минералом является гипс, который представляет собой водный сульфат кальция.

Ответ: гипс, химическая формула: $CaSO_4 \cdot 2H_2O$.

Силикаты

Это самый многочисленный класс минералов, представляющий собой соли кремниевых кислот. Примером силиката является каолинит — минерал из группы глинистых минералов.

Ответ: каолинит, химическая формула: $Al_2[Si_2O_5](OH)_4$.

4. Как различия в составе чугуна и стали определяют химическую суть производства стали?

Решение

Основное различие между чугуном и сталью заключается в содержании углерода и других примесей. Чугун — это сплав железа с высоким содержанием углерода (более 2,14% по массе), а также значительным количеством кремния ($Si$), марганца ($Mn$), фосфора ($P$) и серы ($S$). Такое высокое содержание углерода и примесей делает чугун твердым, но хрупким. Сталь, в свою очередь, является сплавом железа с углеродом, где массовая доля углерода не превышает 2,14%, а содержание прочих примесей значительно ниже и строго контролируется. Это придает стали такие свойства, как прочность, пластичность и ковкость.

Исходя из этих различий в составе, химическая суть производства стали из чугуна заключается в уменьшении концентрации углерода и удалении избыточных и вредных примесей до заданных пределов. Этот процесс представляет собой окислительное рафинирование (очистку) расплавленного чугуна.

Процесс осуществляется в сталеплавильных агрегатах (например, в кислородных конвертерах или мартеновских печах), где через жидкий чугун продувают кислород или добавляют другие окислители. Примеси (C, Si, Mn, P) имеют большее химическое сродство к кислороду, чем железо, и поэтому окисляются в первую очередь, переходя в оксиды.

Основные химические реакции, лежащие в основе процесса:
Окисление кремния: $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$
Окисление марганца: $2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$
Окисление углерода: $2C + O_2 \rightarrow 2CO\uparrow$
Окисление фосфора: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

Продукты окисления необходимо удалить из металлического расплава. Газообразный оксид углерода ($CO$) улетучивается. Для удаления твердых оксидов, таких как кислотный оксид кремния ($SiO_2$) и кислотный оксид фосфора ($P_2O_5$), в расплав вводят основные флюсы, чаще всего известь ($CaO$). Флюсы взаимодействуют с оксидами примесей, образуя легкоплавкую смесь — шлак.

Реакции образования шлака:
$CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$
$3CaO + P_2O_5 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$

Шлак нерастворим в жидком металле и имеет меньшую плотность, поэтому он всплывает на поверхность расплава, откуда его удаляют. Таким образом, путем контролируемого окисления из чугуна получают сталь с требуемым химическим составом и свойствами.

Ответ: Различия в составе чугуна (высокое содержание углерода > 2,14% и примесей Si, Mn, P, S) и стали (низкое содержание углерода < 2,14% и примесей) определяют химическую суть производства стали как окислительный процесс. Суть этого процесса заключается в избирательном окислении избыточного углерода и вредных примесей в чугуне кислородом с последующим удалением их оксидов в виде газов и шлаков для получения сплава с заданным химическим составом.

5. Используя метод электронного баланса, составьте уравнения реакций, соответствующие следующим схемам:

a) $Cu_2O + C \to Cu + CO$

б) $Fe_2O_3 + CO \to Fe + CO_2$

в) $V_2O_5 + Al \to Al_2O_3 + V$

а) Cu₂O + C → Cu + CO

Решение:

1. Определим степени окисления элементов в веществах, участвующих в окислительно-восстановительной реакции:

$ \overset{+1}{Cu}_2\overset{-2}{O} + \overset{0}{C} \rightarrow \overset{0}{Cu} + \overset{+2}{C}\overset{-2}{O} $

2. Составим электронный баланс, чтобы найти коэффициенты. Медь понижает свою степень окисления (восстанавливается), а углерод — повышает (окисляется).

$ C^0 - 2e^- \rightarrow C^{+2} $ | 1 | окисление, C – восстановитель
$ Cu^{+1} + 1e^- \rightarrow Cu^0 $ | 2 | восстановление, $Cu^{+1}$ (в составе $Cu_2O$) – окислитель

3. Подставим коэффициенты в схему реакции. Коэффициент 2 относится к меди, поэтому ставим его перед $Cu^0$. В левой части в $Cu_2O$ уже содержится 2 атома меди, следовательно, перед $Cu_2O$ коэффициент 1 (не пишется). Коэффициент 1 относится к углероду, поэтому перед C и CO коэффициенты также равны 1.

$ Cu_2O + C \rightarrow 2Cu + CO $

Проверим баланс атомов кислорода: слева 1 атом, справа 1 атом. Баланс соблюден.

Ответ: $Cu_2O + C = 2Cu + CO$.

б) Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Решение:

1. Определим степени окисления элементов:

$ \overset{+3}{Fe}_2\overset{-2}{O}_3 + \overset{+2}{C}\overset{-2}{O} \rightarrow \overset{0}{Fe} + \overset{+4}{C}\overset{-2}{O}_2 $

2. Составим электронный баланс. Железо восстанавливается, углерод окисляется.

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

3. Расставим коэффициенты. Коэффициент 2 относится к железу. Ставим его перед $Fe^0$. В $Fe_2O_3$ уже 2 атома железа, поэтому перед $Fe_2O_3$ коэффициент 1. Коэффициент 3 относится к углероду, ставим его перед CO и $CO_2$.

$ Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2 $

Проверим баланс атомов кислорода: слева в $Fe_2O_3$ 3 атома и в 3CO 3 атома, итого $3 + 3 = 6$. Справа в 3$CO_2$ $3 \times 2 = 6$ атомов. Баланс соблюден.

Ответ: $Fe_2O_3 + 3CO = 2Fe + 3CO_2$.

в) V₂O₅ + Al → Al₂O₃ + V

Решение:

1. Определим степени окисления элементов:

$ \overset{+5}{V}_2\overset{-2}{O}_5 + \overset{0}{Al} \rightarrow \overset{+3}{Al}_2\overset{-2}{O}_3 + \overset{0}{V} $

2. Составим электронный баланс. Алюминий окисляется, ванадий восстанавливается.

$ Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3} $ | 5 | окисление, Al – восстановитель
$ V^{+5} + 5e^- \rightarrow V^0 $ | 3 | восстановление, $V^{+5}$ (в составе $V_2O_5$) – окислитель

3. Коэффициенты из баланса (5 для Al, 3 для V) показывают атомарное соотношение. Чтобы получить целые коэффициенты для молекул, их часто нужно умножить на дополнительный множитель из-за индексов в формулах ($V_2O_5$, $Al_2O_3$). Требуемое соотношение $Al:V = 5:3$. Чтобы получить целые коэффициенты для соединений, возьмем 10 атомов Al и 6 атомов V (соотношение $10:6 = 5:3$ сохраняется).

Поставим коэффициент 10 перед Al и 6 перед V:

$ V_2O_5 + 10Al \rightarrow Al_2O_3 + 6V $

Теперь уравняем число атомов в левой и правой частях. Справа 6 атомов V, значит слева перед $V_2O_5$ нужен коэффициент 3 ($3 \times 2 = 6$). Слева 10 атомов Al, значит справа перед $Al_2O_3$ нужен коэффициент 5 ($5 \times 2 = 10$).

$ 3V_2O_5 + 10Al \rightarrow 5Al_2O_3 + 6V $

Проверим баланс атомов кислорода: слева $3 \times 5 = 15$ атомов, справа $5 \times 3 = 15$ атомов. Баланс соблюден.

Ответ: $3V_2O_5 + 10Al = 5Al_2O_3 + 6V$.

6. Напишите уравнения электролиза расплавов:

а) хлорида калия;

б) бромида натрия;

в) хлорида магния.

Электролиз расплава — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании постоянного электрического тока через расплав электролита. В расплаве соли диссоциируют на ионы. Катионы (положительно заряженные ионы металла) движутся к катоду (отрицательному электроду) и восстанавливаются, принимая электроны. Анионы (отрицательно заряженные ионы кислотного остатка) движутся к аноду (положительному электроду) и окисляются, отдавая электроны.

а) хлорида калия;

Хлорид калия ($KCl$) является солью, образованной активным металлом и бескислородной кислотой. При плавлении он диссоциирует на ионы:

$KCl \leftrightarrow K^+ + Cl^-$

В ходе электролиза происходят следующие процессы на электродах:

На катоде (–): катионы калия ($K^+$) восстанавливаются до металлического калия ($K$).

Катод: $K^+ + 1e^- \rightarrow K^0$

На аноде (+): хлорид-ионы ($Cl^-$) окисляются до газообразного хлора ($Cl_2$).

Анод: $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2^0$

Для составления суммарного уравнения необходимо уравнять количество электронов, принятых на катоде и отданных на аноде. Умножим уравнение катодного процесса 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: $2KCl \xrightarrow{электролиз} 2K + Cl_2 \uparrow$. На катоде образуется металлический калий, на аноде выделяется газообразный хлор.

б) бромида натрия;

Бромид натрия ($NaBr$) в расплаве диссоциирует на ионы натрия и бромид-ионы:

$NaBr \leftrightarrow Na^+ + Br^-$

Процессы на электродах:

На катоде (–): катионы натрия ($Na^+$) восстанавливаются до металлического натрия ($Na$).

Катод: $Na^+ + 1e^- \rightarrow Na^0$

На аноде (+): бромид-ионы ($Br^-$) окисляются до молекулярного брома ($Br_2$).

Анод: $2Br^- - 2e^- \rightarrow Br_2^0$

Уравняем число электронов, умножив катодный процесс на 2:

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

Суммарное ионное уравнение:

$2Na^+ + 2Br^- \xrightarrow{электролиз} 2Na + Br_2$

Суммарное молекулярное уравнение:

$2NaBr \xrightarrow{электролиз} 2Na + Br_2$

Ответ: $2NaBr \xrightarrow{электролиз} 2Na + Br_2$. На катоде образуется металлический натрий, на аноде — жидкий бром.

в) хлорида магния.

Хлорид магния ($MgCl_2$) в расплавленном состоянии диссоциирует на ионы магния и хлорид-ионы:

$MgCl_2 \leftrightarrow Mg^{2+} + 2Cl^-$

Процессы на электродах:

На катоде (–): катионы магния ($Mg^{2+}$) восстанавливаются до металлического магния ($Mg$).

Катод: $Mg^{2+} + 2e^- \rightarrow Mg^0$

На аноде (+): хлорид-ионы ($Cl^-$) окисляются до газообразного хлора ($Cl_2$).

Анод: $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2^0$

В данном случае число принятых и отданных электронов равно (2), поэтому дополнительные коэффициенты не требуются. Суммарное ионное и молекулярное уравнения совпадают:

$MgCl_2 \xrightarrow{электролиз} Mg + Cl_2 \uparrow$

Ответ: $MgCl_2 \xrightarrow{электролиз} Mg + Cl_2 \uparrow$. На катоде образуется металлический магний, на аноде выделяется газообразный хлор.

7. Какой из железосодержащих минералов предпочтительнее использовать для получения железа, учитывая содержание в руде нужного элемента: пирит $FeS_2$, лимонит $Fe_2O_3 \cdot 2H_2O$, магнетит $Fe_3O_4$, гематит $Fe_2O_3$? Ответ обоснуйте, рассчитав массовую долю железа в указанных соединениях.

Дано:

Железосодержащие минералы: пирит ($FeS_2$), лимонит ($Fe_2O_3 \cdot 2H_2O$), магнетит ($Fe_3O_4$), гематит ($Fe_2O_3$).
Относительные атомные массы элементов (округленные):
$Ar(Fe) = 56$
$Ar(S) = 32$
$Ar(O) = 16$
$Ar(H) = 1$

Найти:

Какой из минералов предпочтительнее для получения железа, т.е. в каком из них массовая доля железа ($\omega(Fe)$) является наибольшей.

Решение:

Чтобы определить наиболее богатый железом минерал, необходимо рассчитать массовую долю железа в каждом из соединений. Массовая доля элемента в сложном веществе рассчитывается по формуле:

$\omega(Э) = \frac{n \cdot Ar(Э)}{Mr(\text{вещества})} \cdot 100\%$

где $n$ — количество атомов элемента в формульной единице, $Ar(Э)$ — относительная атомная масса элемента, $Mr(\text{вещества})$ — относительная молекулярная (формульная) масса вещества.

Рассчитаем массовую долю железа для каждого минерала.

Пирит $FeS_2$

1. Находим относительную молекулярную массу пирита:

$Mr(FeS_2) = Ar(Fe) + 2 \cdot Ar(S) = 56 + 2 \cdot 32 = 120$

2. Рассчитываем массовую долю железа:

$\omega(Fe) = \frac{1 \cdot Ar(Fe)}{Mr(FeS_2)} \cdot 100\% = \frac{56}{120} \cdot 100\% \approx 46,7\%$

Лимонит $Fe_2O_3 \cdot 2H_2O$

1. Находим относительную молекулярную массу лимонита:

$Mr(Fe_2O_3 \cdot 2H_2O) = (2 \cdot Ar(Fe) + 3 \cdot Ar(O)) + 2 \cdot (2 \cdot Ar(H) + Ar(O)) = (2 \cdot 56 + 3 \cdot 16) + 2 \cdot (2 \cdot 1 + 16) = 160 + 2 \cdot 18 = 196$

2. Рассчитываем массовую долю железа:

$\omega(Fe) = \frac{2 \cdot Ar(Fe)}{Mr(Fe_2O_3 \cdot 2H_2O)} \cdot 100\% = \frac{2 \cdot 56}{196} \cdot 100\% = \frac{112}{196} \cdot 100\% \approx 57,1\%$

Магнетит $Fe_3O_4$

1. Находим относительную молекулярную массу магнетита:

$Mr(Fe_3O_4) = 3 \cdot Ar(Fe) + 4 \cdot Ar(O) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 168 + 64 = 232$

2. Рассчитываем массовую долю железа:

$\omega(Fe) = \frac{3 \cdot Ar(Fe)}{Mr(Fe_3O_4)} \cdot 100\% = \frac{168}{232} \cdot 100\% \approx 72,4\%$

Гематит $Fe_2O_3$

1. Находим относительную молекулярную массу гематита:

$Mr(Fe_2O_3) = 2 \cdot Ar(Fe) + 3 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 112 + 48 = 160$

2. Рассчитываем массовую долю железа:

$\omega(Fe) = \frac{2 \cdot Ar(Fe)}{Mr(Fe_2O_3)} \cdot 100\% = \frac{112}{160} \cdot 100\% = 70,0\%$

Сравним полученные результаты:
Массовая доля железа в пирите ($FeS_2$): $46,7\%$
Массовая доля железа в лимоните ($Fe_2O_3 \cdot 2H_2O$): $57,1\%$
Массовая доля железа в гематите ($Fe_2O_3$): $70,0\%$
Массовая доля железа в магнетите ($Fe_3O_4$): $72,4\%$

Наибольшее процентное содержание железа наблюдается в магнетите ($72,4\%$). Следовательно, исходя из содержания полезного элемента, магнетит является наиболее предпочтительным минералом для промышленного получения железа.

Ответ: наиболее предпочтительным минералом для получения железа является магнетит ($Fe_3O_4$), так как массовая доля железа в нем самая высокая и составляет примерно $72,4\%$.

8. Массовая доля сульфида цинка в руде сфалерит составляет 42 %. Рассчитайте, какую массу цинка можно получить из 1 т такой руды.

Дано:

Масса руды (сфалерита), $m_{руды}$ = 1 т
Массовая доля сульфида цинка ($ZnS$) в руде, $\omega(ZnS)$ = 42%

Перевод в систему СИ:
$m_{руды} = 1 \text{ т} = 1000 \text{ кг}$
$\omega(ZnS) = 42\% = 0.42$

Найти:

Массу цинка, $m(Zn)$ — ?

Решение:

1. Сначала рассчитаем массу чистого сульфида цинка ($ZnS$), который содержится в 1 тонне руды. Для этого умножим массу руды на массовую долю сульфида цинка:

$m(ZnS) = m_{руды} \cdot \omega(ZnS) = 1000 \text{ кг} \cdot 0.42 = 420 \text{ кг}$

2. Далее определим, какая масса чистого цинка ($Zn$) содержится в 420 кг сульфида цинка ($ZnS$). Для этого нам нужно найти массовую долю цинка в соединении $ZnS$. Воспользуемся периодической таблицей для определения относительных атомных масс цинка и серы.

Относительная атомная масса цинка: $Ar(Zn) \approx 65$
Относительная атомная масса серы: $Ar(S) \approx 32$
Относительная молекулярная масса сульфида цинка: $Mr(ZnS) = Ar(Zn) + Ar(S) = 65 + 32 = 97$

3. Теперь можем рассчитать массовую долю цинка в сульфиде цинка по формуле:

$\omega(Zn \text{ в } ZnS) = \frac{Ar(Zn)}{Mr(ZnS)} = \frac{65}{97}$

4. Зная массу сульфида цинка ($420$ кг) и массовую долю цинка в нем, найдем массу чистого цинка, которую можно получить:

$m(Zn) = m(ZnS) \cdot \omega(Zn \text{ в } ZnS) = 420 \text{ кг} \cdot \frac{65}{97} \approx 281.44 \text{ кг}$

Ответ: из 1 т такой руды можно получить примерно 281.44 кг цинка.

9. В состав минерала халькопирита входят медь (массовая доля 34,78 %), железо (массовая доля 30,44 %) и сера (массовая доля 34,78 %). Определите формулу минерала.

Дано:

Массовая доля меди (Cu) в халькопирите: $ \omega(\text{Cu}) = 34,78 \% $
Массовая доля железа (Fe) в халькопирите: $ \omega(\text{Fe}) = 30,44 \% $
Массовая доля серы (S) в халькопирите: $ \omega(\text{S}) = 34,78 \% $

Найти:

Формулу минерала $ \text{Cu}_x\text{Fe}_y\text{S}_z $.

Решение:

Для определения химической формулы минерала необходимо найти соотношение индексов x, y и z, которое соответствует соотношению количеств вещества (молей) атомов меди, железа и серы.

1. Примем массу образца минерала за 100 г. В этом случае массы элементов будут численно равны их массовым долям в процентах:
$ m(\text{Cu}) = 34,78 \text{ г} $
$ m(\text{Fe}) = 30,44 \text{ г} $
$ m(\text{S}) = 34,78 \text{ г} $

2. Найдем молярные массы элементов, используя периодическую таблицу:
$ M(\text{Cu}) \approx 63,55 \text{ г/моль} $
$ M(\text{Fe}) \approx 55,85 \text{ г/моль} $
$ M(\text{S}) \approx 32,07 \text{ г/моль} $

3. Рассчитаем количество вещества (число молей) каждого элемента по формуле $ n = m / M $:
$ n(\text{Cu}) = \frac{34,78 \text{ г}}{63,55 \text{ г/моль}} \approx 0,547 \text{ моль} $
$ n(\text{Fe}) = \frac{30,44 \text{ г}}{55,85 \text{ г/моль}} \approx 0,545 \text{ моль} $
$ n(\text{S}) = \frac{34,78 \text{ г}}{32,07 \text{ г/моль}} \approx 1,084 \text{ моль} $

4. Найдем соотношение молей элементов, которое и будет являться соотношением индексов в формуле. Для этого разделим количество молей каждого элемента на наименьшее из полученных значений ($ n(\text{Fe}) \approx 0,545 $ моль):
$ x : y : z = n(\text{Cu}) : n(\text{Fe}) : n(\text{S}) $
$ x : y : z = 0,547 : 0,545 : 1,084 $
$ \frac{0,547}{0,545} : \frac{0,545}{0,545} : \frac{1,084}{0,545} $
$ 1,004 : 1 : 1,989 $

5. Округлим полученные значения до ближайших целых чисел, чтобы получить простейшее соотношение атомов в формуле:
$ x : y : z \approx 1 : 1 : 2 $

Таким образом, простейшая формула минерала халькопирита — $ \text{CuFeS}_2 $.

Ответ:

Формула минерала: $ \text{CuFeS}_2 $.

10. Массовая доля оксида алюминия в образце боксита составляет 81,6 %. Какую массу алюминия можно получить из 1 т этого сырья, если производственные потери металла составляют 6 %?

Дано:

$m_{сырья}$ (боксит) = 1 т

$\omega(Al_2O_3)$ = 81,6 %

Потери(Al) = 6 %

Найти:

$m_{практ.}(Al)$ — ?

Решение:

1. Найдем массу оксида алюминия ($Al_2O_3$) в 1 тонне боксита. Массовая доля показывает, какая часть от общей массы приходится на данное вещество.

$m(Al_2O_3) = m_{сырья} \cdot \omega(Al_2O_3) = 1000 \text{ кг} \cdot 0,816 = 816 \text{ кг}$

2. Алюминий получают из его оксида путем электролиза. Запишем уравнение реакции:

$2Al_2O_3 \rightarrow 4Al + 3O_2$

3. Рассчитаем молярные массы оксида алюминия ($Al_2O_3$) и алюминия (Al), используя периодическую таблицу химических элементов. Для удобства расчетов будем использовать кг/кмоль.

$M(Al) = 27 \text{ кг/кмоль}$

$M(Al_2O_3) = 2 \cdot M(Al) + 3 \cdot M(O) = 2 \cdot 27 + 3 \cdot 16 = 54 + 48 = 102 \text{ кг/кмоль}$

4. Теперь рассчитаем теоретически возможную массу алюминия ($m_{теор.}(Al)$), которую можно получить из 816 кг оксида алюминия. Для этого можно составить пропорцию на основе уравнения реакции, либо рассчитать через массовую долю алюминия в оксиде.

Массовая доля алюминия в $Al_2O_3$:

$\omega(Al \text{ в } Al_2O_3) = \frac{2 \cdot M(Al)}{M(Al_2O_3)} = \frac{2 \cdot 27}{102} = \frac{54}{102}$

Теоретическая масса алюминия:

$m_{теор.}(Al) = m(Al_2O_3) \cdot \omega(Al \text{ в } Al_2O_3) = 816 \text{ кг} \cdot \frac{54}{102} = 432 \text{ кг}$

5. Учтем производственные потери, которые составляют 6%. Это означает, что практический выход продукта ($\eta$) составляет $100\% - 6\% = 94\%$.

$\eta = 100\% - 6\% = 94\% = 0,94$

Найдем практическую массу полученного алюминия:

$m_{практ.}(Al) = m_{теор.}(Al) \cdot \eta = 432 \text{ кг} \cdot 0,94 = 406,08 \text{ кг}$

Ответ: из 1 т боксита можно получить 406,08 кг алюминия.

11. Какие массы хрома и никеля потребуются для получения нержавеющей стали из $200 \text{ кг}$ железа, если содержание в конечном сплаве никеля составляет $8 \%$, а хрома — $10 \%$?

Дано:

Масса железа, $m_{Fe} = 200$ кг
Массовая доля никеля в сплаве, $w_{Ni} = 8\%$
Массовая доля хрома в сплаве, $w_{Cr} = 10\%$

Найти:

Массу хрома, $m_{Cr}$ — ?
Массу никеля, $m_{Ni}$ — ?

Решение:

Конечный сплав (нержавеющая сталь) состоит из железа, хрома и никеля. Общая масса сплава, $m_{сплава}$, складывается из масс его компонентов: $$m_{сплава} = m_{Fe} + m_{Cr} + m_{Ni}$$

Сумма массовых долей всех компонентов в сплаве равна 100% (или 1, если выражать в долях). Найдем массовую долю железа ($w_{Fe}$) в сплаве: $$w_{Fe} = 100\% - w_{Cr} - w_{Ni} = 100\% - 10\% - 8\% = 82\%$$ В виде десятичной дроби это составляет: $$w_{Fe} = 0.82$$

Масса любого компонента в сплаве равна произведению его массовой доли на общую массу сплава. Для железа это выглядит так: $$m_{Fe} = w_{Fe} \cdot m_{сплава}$$ Зная массу железа и его массовую долю, мы можем найти общую массу сплава: $$m_{сплава} = \frac{m_{Fe}}{w_{Fe}} = \frac{200 \text{ кг}}{0.82} \approx 243.9024 \text{ кг}$$

Теперь, зная общую массу сплава, рассчитаем требуемые массы хрома и никеля.

Масса хрома: $$m_{Cr} = w_{Cr} \cdot m_{сплава} = 0.10 \cdot 243.9024 \text{ кг} \approx 24.390 \text{ кг}$$

Масса никеля: $$m_{Ni} = w_{Ni} \cdot m_{сплава} = 0.08 \cdot 243.9024 \text{ кг} \approx 19.512 \text{ кг}$$

Округляя результаты до двух знаков после запятой, получаем: $m_{Cr} \approx 24.39$ кг и $m_{Ni} \approx 19.51$ кг.

Ответ: для получения нержавеющей стали потребуется примерно 24.39 кг хрома и 19.51 кг никеля.

12. Подготовьте сообщение о металлургическом производстве и его продукции.

Металлургическое производство: сущность и значение

Металлургия – это область науки, техники и отрасль промышленности, охватывающая процессы получения металлов из руд или других материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры и свойств металлических сплавов. Металлургия является базовой отраслью экономики, так как её продукция – основа для машиностроения, строительства, энергетики, транспорта и многих других сфер человеческой деятельности.

Основные отрасли металлургии

Металлургическое производство традиционно делится на две крупные отрасли:

• Черная металлургия – производство железа, чугуна, стали и сплавов на их основе (ферросплавов). На её долю приходится около 90% всего производимого в мире металла.
• Цветная металлургия – производство всех остальных металлов, которые условно делят на группы: тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель), легкие (алюминий, титан, магний), благородные (золото, серебро, платина) и редкие (вольфрам, молибден, цирконий и др.).

Технологические процессы в металлургии

Получение металлов — это сложный многостадийный процесс. Основные этапы включают:

1. Добыча и подготовка сырья. Руду извлекают из недр, дробят и обогащают, то есть повышают в ней содержание полезного компонента и удаляют пустую породу.
2. Извлечение металла (металлургический передел). Это основной этап, который может осуществляться разными методами:
   • Пирометаллургия – процессы, протекающие при высоких температурах (плавка, обжиг). Это самый древний и распространенный способ. Например, доменная плавка для получения чугуна из железной руды.
   • Гидрометаллургия – извлечение металлов из руд и концентратов с помощью водных растворов химических реагентов с последующим выделением металла из раствора. Применяется для получения меди, цинка, золота, урана.
   • Электрометаллургия – процессы, идущие с применением электрического тока. Это электролиз (получение алюминия, магния) и электротермия (выплавка стали в электропечах, производство ферросплавов).
3. Рафинирование (очистка). Полученные черновые металлы содержат примеси, которые ухудшают их свойства. Рафинирование позволяет получить металлы высокой чистоты.
4. Обработка металлов. Металлам и сплавам придают нужную форму и свойства методами литья, обработки давлением (прокатка, ковка, штамповка), сварки, термической обработки.

Продукция металлургического производства

Ассортимент продукции металлургии чрезвычайно широк.

Продукция черной металлургии:

• Чугун – первичный продукт доменного производства. Бывает передельным (идет на выплавку стали) и литейным (для изготовления отливок).
• Сталь – основной конструкционный материал. Выпускается в виде слитков или непрерывнолитых заготовок.
• Прокат – основной вид продукции. Делится на сортовой (арматура, балки, уголки), листовой (листы, полосы) и трубы.
• Ферросплавы – сплавы железа с другими элементами (кремнием, марганцем, хромом), используемые для легирования и раскисления стали.
• Метизы (металлические изделия) – проволока, канаты, сетка, гвозди, крепеж.

Продукция цветной металлургии:

• Чистые металлы в виде слитков, чушек, катодных листов, гранул, порошков (алюминий, медь, цинк, свинец, никель, титан и др.).
• Сплавы на основе цветных металлов, обладающие специальными свойствами: бронзы, латуни, дюралюминий, силумин и т.д.
• Прокат из цветных металлов: листы, плиты, ленты, фольга, прутки, проволока, трубы.

Таким образом, металлургическое производство является основой современной цивилизации, обеспечивая промышленность и строительство ключевыми материалами. Его развитие напрямую влияет на технологический прогресс и экономическую мощь любого государства.

Ответ:

В сообщении представлена развернутая информация о металлургическом производстве, его основных отраслях (черной и цветной металлургии), ключевых технологических процессах (пирометаллургия, гидрометаллургия, электрометаллургия), а также о многообразии продукции, выпускаемой металлургическими предприятиями, включая различные виды чугуна, стали, проката, цветных металлов и их сплавов.

13. Как получают титан, никель, бериллий, хром? Где и почему применяют эти металлы?

Титан

Титан получают в основном магниетермическим методом (процесс Кролла), который является довольно сложным и энергозатратным. Исходным сырьем служат минералы, содержащие диоксид титана ($TiO_2$), такие как ильменит ($FeTiO_3$) и рутил. Процесс состоит из нескольких стадий:

1. Получение тетрахлорида титана ($TiCl_4$). Рудный концентрат хлорируют в присутствии углеродного восстановителя (кокса) при температуре 800–1000°C: $TiO_2 + 2Cl_2 + C \rightarrow TiCl_4 + CO_2$.
2. Восстановление титана. Очищенный тетрахлорид титана восстанавливают металлическим магнием (или натрием) в герметичных стальных реакторах в инертной атмосфере (аргон) при температуре 800–950°C: $TiCl_4 + 2Mg \rightarrow Ti + 2MgCl_2$.

В результате реакции образуется так называемая титановая губка, которую затем переплавляют в вакуумных дуговых печах для получения компактного металла и сплавов.

Применение титана обусловлено его уникальными свойствами:

• Авиа- и ракетостроение: используется для изготовления деталей самолетов, ракет, двигателей. Причина — высочайшая удельная прочность (отношение прочности к весу) и жаропрочность.
• Судостроение: корпуса подводных лодок, гребные винты, теплообменники. Причина — феноменальная коррозионная стойкость, особенно в морской воде.
• Химическая промышленность: реакторы, трубопроводы, насосы для работы в агрессивных средах. Причина — стойкость к кислотам и щелочам.
• Медицина: зубные и ортопедические имплантаты, хирургические инструменты. Причина — биосовместимость (не вызывает отторжения организмом) и коррозионная стойкость в биологических средах.

Ответ: Титан получают многостадийным магниетермическим восстановлением из его тетрахлорида. Применяется в авиакосмической, судостроительной, химической и медицинской отраслях благодаря уникальному сочетанию легкости, высокой прочности, жаропрочности и превосходной коррозионной стойкости.

Никель

Способ получения никеля зависит от типа руды. Основные методы — пирометаллургический (для сульфидных руд) и гидрометаллургический (для окисленных/силикатных руд).

• Пирометаллургия: сульфидные руды подвергают обогащению, затем обжигу для удаления серы и получения оксида никеля ($NiO$). После этого оксид восстанавливают углеродом в электропечах.
• Гидрометаллургия: бедные окисленные руды выщелачивают растворами кислот (например, серной) или аммиака. Затем никель извлекают из раствора методами экстракции и электролиза (электроэкстракция).
• Карбонильный процесс (процесс Монда): используется для получения никеля высокой чистоты. Нечистый никель реагирует с угарным газом ($CO$) при 50–60°C, образуя летучий карбонил никеля ($Ni(CO)_4$). Газ отделяют и нагревают до 180–200°C, в результате чего он разлагается на чистый металлический никель и угарный газ, который возвращается в цикл: $Ni + 4CO \rightleftharpoons Ni(CO)_4$.

Никель — один из важнейших легирующих металлов и основа многих сверхсплавов. Его применяют:

• В металлургии: около 80% всего производимого никеля идет на производство нержавеющих и легированных сталей, а также жаропрочных сплавов (например, нихром, инконель). Причина — никель придает сплавам коррозионную стойкость, прочность, вязкость и жаропрочность.
• В гальванотехнике: для нанесения защитных и декоративных покрытий (никелирование). Причина — высокая коррозионная стойкость и красивый внешний вид.
• В электротехнике и электронике: для производства аккумуляторов (Ni-Cd, Ni-MH), магнитных материалов.
• В химической промышленности: в качестве катализатора во многих процессах (например, гидрирование жиров).

Ответ: Никель получают пиро- или гидрометаллургическими методами из сульфидных или окисленных руд, а для рафинирования используют карбонильный процесс. Применяют в основном для производства нержавеющих сталей и специальных сплавов, для гальванических покрытий и в качестве катализаторов благодаря его коррозионной стойкости, способности улучшать свойства сплавов и каталитической активности.

Бериллий

Получение бериллия — сложный и дорогостоящий процесс из-за химической стойкости его минералов (берилл $3BeO \cdot Al_2O_3 \cdot 6SiO_2$ и бертрандит) и высокой токсичности самого металла и его соединений. В общих чертах, руду перерабатывают для получения технически чистого гидроксида ($Be(OH)_2$) или оксида бериллия ($BeO$). Затем металлический бериллий получают одним из двух способов:

1. Магниетермический метод: гидроксид бериллия переводят во фторид ($BeF_2$), который затем восстанавливают магнием при температуре около 900°C: $BeF_2 + Mg \rightarrow Be + MgF_2$.
2. Электролиз расплава: проводят электролиз расплавленной смеси хлорида бериллия ($BeCl_2$) и хлорида натрия ($NaCl$) при температуре около 350°C.

Применение бериллия ограничено его высокой стоимостью и токсичностью, но его уникальные свойства делают его незаменимым в ряде областей:

• Атомная и ядерная техника: используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Причина — малое сечение захвата тепловых нейтронов и эффективное их рассеяние.
• Аэрокосмическая промышленность: для изготовления деталей гироскопов, навигационных систем, элементов конструкций спутников и телескопов. Причина — сочетание очень низкой плотности (легче алюминия) и очень высокой жесткости (модуль упругости выше, чем у стали).
• Рентгеновская техника: из бериллия делают окошки в рентгеновских трубках. Причина — он почти прозрачен для рентгеновского излучения.
• В виде сплавов: наиболее известный сплав — бериллиевая бронза (сплав с медью). Она обладает высокой прочностью, упругостью, износостойкостью и не искрит при ударе, что важно для инструментов, используемых во взрывоопасных средах.

Ответ: Бериллий получают магниетермическим восстановлением его фторида или электролизом расплава хлорида. Применяют в ядерной, аэрокосмической, рентгеновской технике и для создания специальных сплавов (бериллиевая бронза) из-за его легкости, высокой жесткости, прозрачности для рентгеновских лучей и ядерно-физических свойств.

Хром

Основным сырьем для получения хрома является хромитовый железняк (хромит), имеющий примерную формулу $FeCr_2O_4$.

Для нужд металлургии в основном получают не чистый хром, а его сплав с железом — феррохром. Его получают прямым восстановлением хромитовой руды углеродом (коксом) в мощных руднотермических электропечах: $FeCr_2O_4 + 4C \rightarrow (Fe + 2Cr) + 4CO$.

Для получения чистого металлического хрома используют более сложный химический метод. Руду спекают со щелочным агентом (содой $Na_2CO_3$) при доступе воздуха, переводя хром в растворимый хромат натрия ($Na_2CrO_4$). Его выщелачивают, очищают и переводят в оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$). Далее применяют алюминотермию — восстановление оксида порошкообразным алюминием: $Cr_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Cr + Al_2O_3$. Также чистый хром получают электролизом растворов его солей.

Хром широко применяется благодаря своей твердости и коррозионной стойкости:

• Металлургия: основная область применения. Хром является ключевым легирующим элементом для производства нержавеющих, жаропрочных, кислотостойких и инструментальных сталей. Причина — он резко повышает твердость, износостойкость и сопротивление коррозии (благодаря образованию на поверхности тонкой, прочной инертной оксидной пленки).
• Гальванические покрытия: нанесение тонкого слоя хрома (хромирование) на поверхность металлических изделий для защиты от коррозии, повышения износостойкости (например, для деталей двигателей) и придания декоративного зеркального блеска (сантехника, автомобильные детали).
• Химическая промышленность: соединения хрома используются как пигменты (от зеленого до желтого и оранжевого), катализаторы и компоненты для дубления кожи.

Ответ: Хром в виде феррохрома получают восстановлением хромитовой руды углеродом. Чистый хром получают в основном алюминотермией из его оксида. Применяется главным образом для легирования сталей (производство нержавейки), для нанесения защитных и декоративных хромовых покрытий, а его соединения — как пигменты. Главные причины использования — высокая твердость и исключительная коррозионная стойкость.

14. Представьте, что вам нужно выбрать место для строительства нового комбината по производству алюминия в России. Какие требования к строительной площадке вы будете предъявлять?

Решение

Выбор места для строительства нового комбината по производству алюминия — это комплексная задача, требующая учета множества факторов. Производство алюминия является одним из самых энергоемких, поэтому ключевые требования к строительной площадке будут связаны с доступом к ресурсам и инфраструктуре. Основные требования можно сгруппировать следующим образом:

1. Энергетический фактор

Производство алюминия методом электролиза из глинозема ($Al_2O_3$) требует колоссального количества электроэнергии. На получение одной тонны алюминия расходуется 13–15 МВт·ч. Поэтому главным и определяющим требованием является наличие мощного, стабильного и, что крайне важно, дешевого источника электроэнергии. В условиях России идеальными источниками являются крупные гидроэлектростанции (ГЭС), расположенные на полноводных реках Сибири (Енисей, Ангара). Именно поэтому крупнейшие алюминиевые заводы России (Красноярский, Братский, Саяногорский) расположены вблизи соответствующих ГЭС. Альтернативой могут быть крупные АЭС или ГРЭС, работающие на дешевом топливе, но ГЭС предпочтительнее из-за самой низкой себестоимости энергии.

2. Сырьевой и транспортный факторы

Россия не обладает достаточными запасами высококачественных бокситов, поэтому основное сырье — глинозем — преимущественно импортируется. Следовательно, площадка должна иметь доступ к развитой транспортной инфраструктуре для доставки сырья и вывоза готовой продукции. Ключевым требованием является близость к магистральным железнодорожным путям, таким как Транссибирская магистраль. Также важен доступ к водным путям (морским портам или крупным рекам), так как это позволяет значительно удешевить транспортировку больших объемов грузов. Оптимальным является место, где пересекаются транспортные коридоры, обеспечивающие как доставку импортного глинозема, так и экспорт готового металла.

3. Водный фактор

Производство требует значительных объемов воды для технологических нужд, в первую очередь для охлаждения оборудования. Поэтому комбинат необходимо располагать на берегу крупной реки или другого крупного водоема, способного обеспечить бесперебойное водоснабжение.

4. Наличие свободных площадей и инфраструктуры

Алюминиевый комбинат — это крупное промышленное предприятие, требующее большой территории. Площадка должна быть достаточно просторной для размещения производственных корпусов, складов сырья и готовой продукции, объектов энергетического хозяйства, очистных сооружений и санитарно-защитной зоны. Также необходимо наличие или возможность быстрого создания сопутствующей инфраструктуры: автомобильных дорог, линий электропередач, систем связи.

5. Трудовые ресурсы

Для строительства и эксплуатации комбината потребуется значительное количество квалифицированных инженеров, технических специалистов и рабочих. Желательно расположение вблизи существующего города или населенного пункта, способного обеспечить предприятие кадрами. В противном случае потребуется строительство нового жилого поселка (моногорода) со всей социальной инфраструктурой (школы, больницы, магазины), что существенно увеличит капитальные затраты.

6. Экологический фактор

Производство алюминия связано со значительными выбросами в атмосферу вредных веществ, таких как фториды, оксиды серы и углерода, а также мощных парниковых газов. Площадка должна отвечать строгим экологическим требованиям. Она должна быть расположена на достаточном удалении от жилых районов, сельскохозяйственных угодий и особо охраняемых природных территорий. Необходимо учитывать розу ветров для минимизации воздействия выбросов на близлежащие населенные пункты. Кроме того, место должно позволять организовать эффективную систему очистки выбросов и утилизации отходов в соответствии с современными экологическими стандартами.

Ответ:

Основные требования к строительной площадке для нового алюминиевого комбината в России следующие:

1. Близость к мощному и дешевому источнику электроэнергии, в первую очередь к крупной ГЭС.

2. Развитая транспортная инфраструктура: наличие доступа к железнодорожным магистралям и водным путям для импорта сырья (глинозема) и экспорта готовой продукции.

3. Доступ к крупному источнику водоснабжения для технологических нужд.

4. Наличие достаточной по площади территории для размещения всех объектов комбината и санитарно-защитной зоны.

5. Доступность трудовых ресурсов или возможность для создания нового поселения.

6. Соответствие строгим экологическим нормам: удаленность от населенных пунктов и природоохранных зон, учет розы ветров и возможность создания современных очистных систем.