Страница 131 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

4. Расставьте коэффициенты в схеме реакции с помощью метода электронного баланса.

$Al + HNO_3 \rightarrow N_2 + \underline{\hspace{2em}} + \underline{\hspace{2em}}$

Решение:

Для того чтобы расставить коэффициенты в уравнении реакции $Al + HNO_3 \rightarrow N_2 + \dots$ методом электронного баланса, сначала необходимо определить все продукты реакции. Алюминий ($Al$) — активный металл, который реагирует с азотной кислотой ($HNO_3$) с образованием соли, воды и продукта восстановления азота. Продукт восстановления азота указан в условии — это молекулярный азот ($N_2$). Солью будет нитрат алюминия ($Al(NO_3)_3$), а также образуется вода ($H_2O$). Таким образом, полная схема реакции выглядит так:
$Al + HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + N_2 + H_2O$

Далее определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:
$Al^0 + H^{+1}N^{+5}O^{-2}_3 \rightarrow Al^{+3}(N^{+5}O^{-2}_3)_3 + N^0_2 + H^{+1}_2O^{-2}$
Алюминий повышает свою степень окисления с 0 до +3 (окисляется), а азот понижает свою степень окисления с +5 до 0 (восстанавливается).

Составим электронный баланс для процессов окисления и восстановления. Число отданных электронов должно быть равно числу принятых.
$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ | $10$ | восстановитель (окисление)
$2N^{+5} + 10e^- \rightarrow N_2^0$ | $3$ | окислитель (восстановление)
Наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (3 и 10) равно 30. Поэтому первую полуреакцию домножаем на 10, а вторую — на 3.

Полученные коэффициенты 10 и 3 используем для балансировки уравнения. Коэффициент 10 ставим перед $Al$ и продуктом его окисления $Al(NO_3)_3$. Коэффициент 3 ставим перед $N_2$:
$10Al + HNO_3 \rightarrow 10Al(NO_3)_3 + 3N_2 + H_2O$

Теперь уравняем общее количество атомов азота. В продуктах реакции находится $10 \cdot 3 = 30$ атомов азота в составе нитрата алюминия и $3 \cdot 2 = 6$ атомов в составе молекулярного азота. Суммарно справа $30 + 6 = 36$ атомов азота. Следовательно, перед азотной кислотой $HNO_3$ в левой части уравнения необходимо поставить коэффициент 36.
$10Al + 36HNO_3 \rightarrow 10Al(NO_3)_3 + 3N_2 + H_2O$

На последнем шаге уравниваем атомы водорода и проверяем баланс по кислороду. Слева находится 36 атомов водорода. Чтобы их уравнять, перед водой ($H_2O$) справа ставим коэффициент 18 ($18 \cdot 2 = 36$).
$10Al + 36HNO_3 \rightarrow 10Al(NO_3)_3 + 3N_2 + 18H_2O$
Проверка по кислороду: слева $36 \cdot 3 = 108$ атомов; справа $10 \cdot 3 \cdot 3 + 18 \cdot 1 = 90 + 18 = 108$ атомов. Баланс верный.

Ответ: $10Al + 36HNO_3 = 10Al(NO_3)_3 + 3N_2 + 18H_2O$

5. Какая масса алюминия, содержащего 5 % примесей, потребуется для получения 156 кг хрома из его оксида(III) методом алюминотермии?

Дано: Решение:

Дано:

масса хрома $m(Cr) = 156$ кг

массовая доля примесей в алюминии $\omega(\text{примесей}) = 5 \% = 0.05$

Найти:

массу технического алюминия $m(\text{техн. } Al)$ — ?

Решение:

1. Алюминотермия — это процесс восстановления металлов из их оксидов с помощью алюминия. Запишем уравнение реакции восстановления хрома из оксида хрома(III):

$2Al + Cr_2O_3 \rightarrow 2Cr + Al_2O_3$

2. Рассчитаем молярные массы алюминия ($Al$) и хрома ($Cr$), используя их атомные массы из периодической таблицы. Для удобства расчетов будем использовать киломоли (кмоль) и килограммы (кг).

Молярная масса алюминия: $M(Al) \approx 27$ г/моль $= 27$ кг/кмоль.

Молярная масса хрома: $M(Cr) \approx 52$ г/моль $= 52$ кг/кмоль.

3. Найдем количество вещества (число киломолей) хрома, которое необходимо получить:

$n(Cr) = \frac{m(Cr)}{M(Cr)} = \frac{156 \text{ кг}}{52 \text{ кг/кмоль}} = 3 \text{ кмоль}$

4. Согласно уравнению реакции, для получения 2 моль хрома требуется 2 моль алюминия. Следовательно, их мольные соотношения равны:

$n(Al) : n(Cr) = 2 : 2 = 1 : 1$

Таким образом, количество вещества алюминия, необходимого для реакции, равно количеству вещества хрома:

$n(Al) = n(Cr) = 3 \text{ кмоль}$

5. Рассчитаем массу чистого алюминия, который вступает в реакцию:

$m(\text{чист. } Al) = n(Al) \times M(Al) = 3 \text{ кмоль} \times 27 \text{ кг/кмоль} = 81 \text{ кг}$

6. В условии задачи указано, что алюминий содержит 5 % примесей. Это означает, что массовая доля чистого алюминия в техническом образце составляет:

$\omega(\text{чист. } Al) = 100\% - 5\% = 95\% = 0.95$

7. Теперь найдем общую массу технического алюминия, которая потребуется для реакции:

$m(\text{техн. } Al) = \frac{m(\text{чист. } Al)}{\omega(\text{чист. } Al)} = \frac{81 \text{ кг}}{0.95} \approx 85.26 \text{ кг}$

Ответ: для получения 156 кг хрома потребуется примерно 85,26 кг алюминия, содержащего 5 % примесей.

Часть I

1. Строение атома железа: ${}_{26}\mathrm{Fe}$ □ $\overline{e}$, □ $\overline{e}$, □ $\overline{e}$, □ $\overline{e}$. Железо –

элемент □□□□-группы.

Дано:

Химический элемент – железо (Fe), порядковый номер Z = 26.

Найти:

Заполнить пропуски в предложении, указанном в задании, определив распределение электронов в атоме железа по энергетическим уровням и тип группы, к которой относится железо.

Решение:

1. Определение распределения электронов.

Порядковый номер элемента в Периодической системе равен числу протонов в ядре и, для нейтрального атома, числу электронов. Следовательно, атом железа содержит 26 электронов.

Железо (Fe) находится в 4-м периоде, это означает, что электроны в его атоме располагаются на четырех энергетических уровнях (электронных слоях).

Полная электронная формула атома железа записывается как: $_{26}\text{Fe} \; 1s^22s^22p^63s^23p^63d^64s^2$.

Для определения числа электронов на каждом уровне сгруппируем их:

• На первом уровне (главное квантовое число n=1) находятся 2 электрона ($1s^2$).

• На втором уровне (n=2) находятся 8 электронов ($2s^22p^6$).

• На третьем уровне (n=3) находятся 14 электронов ($3s^23p^63d^6$).

• На четвертом, внешнем, уровне (n=4) находятся 2 электрона ($4s^2$).

Сумма электронов: $2 + 8 + 14 + 2 = 26$.

Таким образом, в первые четыре пропуска нужно вписать числа: 2, 8, 14, 2.

2. Определение типа группы.

В Периодической системе элементы делятся на элементы главных (A) и побочных (B) подгрупп. Железо является d-элементом, так как у него последним заполняется d-подуровень предпоследнего энергетического уровня. Все d-элементы (переходные металлы) относятся к побочным подгруппам. Железо находится в VIII группе, побочной подгруппе.

Следовательно, в пропуск в словосочетании «...-группы» необходимо вставить прилагательное «побочной».

Ответ: Строение атома железа: ₂₆Fe 2$\bar{e}$, 8$\bar{e}$, 14$\bar{e}$, 2$\bar{e}$. Железо – элемент побочной-группы.

2. Степени окисления:

а) низшая: $Fe^0 - \square\bar{e} \to Fe^{\square\square}$

б) высшая: $Fe^0 - \square\bar{e} \to Fe^{\square\square}$

а) низшая:

Решение: Железо (Fe) — это переходный металл, для которого характерны переменные степени окисления. Низшая из наиболее распространенных положительных степеней окисления железа равна +2. Эта степень окисления возникает, когда нейтральный атом железа ($Fe^0$), имеющий электронную конфигурацию $[Ar] 3d^6 4s^2$, отдает два электрона со своего внешнего 4s-подуровня. В результате этого процесса окисления образуется катион железа $Fe^{+2}$. Уравнение этого процесса выглядит следующим образом:

$Fe^0 - 2\bar{e} \rightarrow Fe^{+2}$

Ответ: $Fe^0 - 2\bar{e} \rightarrow Fe^{+2}$

б) высшая:

Решение: Высшая из наиболее распространенных степеней окисления железа равна +3. Для ее достижения атом железа ($Fe^0$) должен потерять три электрона: два электрона с 4s-подуровня и один электрон с 3d-подуровня. Это приводит к образованию катиона железа $Fe^{+3}$ с электронной конфигурацией $[Ar] 3d^5$. Такая конфигурация с наполовину заполненным d-подуровнем является энергетически более стабильной. Процесс окисления до высшей степени окисления записывается так:

$Fe^0 - 3\bar{e} \rightarrow Fe^{+3}$

Ответ: $Fe^0 - 3\bar{e} \rightarrow Fe^{+3}$