Страница 135 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

2. Не производя вычислений, расположите формулы веществ из задания 1 в порядке возрастания в них массовой доли железа.

Поскольку в условии задачи отсутствуют формулы веществ из задания 1, для ответа на вопрос возьмем наиболее распространенные оксиды железа, которые обычно рассматриваются в подобных задачах: оксид железа(II) ($FeO$), оксид железа(III) ($Fe_2O_3$) и смешанный оксид железа(II, III) или магнетит ($Fe_3O_4$).

Решение

Массовая доля элемента ($\omega$) в соединении — это отношение массы этого элемента к массе всего соединения. Формула для ее расчета:

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

где $n$ — число атомов элемента в формуле, $Ar(Э)$ — его относительная атомная масса, а $Mr(вещества)$ — относительная молекулярная масса вещества.

Чтобы расположить вещества в порядке возрастания массовой доли железа, не прибегая к вычислениям, нужно проанализировать состав каждого соединения. Чем больше в молекуле доля другого элемента (в данном случае кислорода) по отношению к железу, тем меньше будет массовая доля самого железа.

Давайте сравним, сколько атомов кислорода приходится на один атом железа в каждом из оксидов. Для этого найдем соотношение числа атомов кислорода к числу атомов железа.

1. В оксиде железа(III), $Fe_2O_3$: на 2 атома железа ($Fe$) приходится 3 атома кислорода ($O$). Соотношение атомов $O/Fe$ равно $3/2 = 1.5$.

2. В смешанном оксиде, $Fe_3O_4$: на 3 атома железа ($Fe$) приходится 4 атома кислорода ($O$). Соотношение атомов $O/Fe$ равно $4/3 \approx 1.33$.

3. В оксиде железа(II), $FeO$: на 1 атом железа ($Fe$) приходится 1 атом кислорода ($O$). Соотношение атомов $O/Fe$ равно $1/1 = 1$.

Чем больше это соотношение, тем больше «разбавлено» железо кислородом, и, следовательно, тем ниже массовая доля железа. Сравним полученные значения:

$1.5 (для \thinspace Fe_2O_3) > 1.33 (для \thinspace Fe_3O_4) > 1 (для \thinspace FeO)$

Это означает, что наибольшая относительная доля кислорода (и, соответственно, наименьшая массовая доля железа) содержится в $Fe_2O_3$. Наименьшая относительная доля кислорода (и, соответственно, наибольшая массовая доля железа) — в $FeO$.

Таким образом, чтобы расположить формулы в порядке возрастания массовой доли железа, мы должны двигаться от соединения с самым большим соотношением $O/Fe$ к соединению с самым маленьким.

Ответ: $Fe_2O_3, Fe_3O_4, FeO$.

3. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$\text{Fe} \rightarrow \text{FeCl}_2 \rightarrow \text{Fe(OH)}_2 \rightarrow \text{FeO} \rightarrow \text{Fe}$

1)

2)

3)

4)

Решение

1) Чтобы получить хлорид железа(II) из металлического железа, необходимо провести реакцию с соляной кислотой. Железо вытесняет водород из кислоты, образуя соль (хлорид железа(II)) и газообразный водород.
$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$
Ответ: $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

2) Для осуществления перехода от хлорида железа(II) к гидроксиду железа(II) необходимо провести реакцию ионного обмена с растворимым основанием (щелочью), например, с гидроксидом натрия. В результате образуется нерастворимый в воде гидроксид железа(II) в виде осадка.
$FeCl_2 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$
Ответ: $FeCl_2 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$

3) Получение оксида железа(II) из гидроксида железа(II) возможно путем термического разложения. При нагревании гидроксид железа(II) разлагается на оксид железа(II) и воду. Реакцию следует проводить без доступа кислорода, чтобы избежать окисления железа до степени окисления +3.
$Fe(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} FeO + H_2O$
Ответ: $Fe(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} FeO + H_2O$

4) Чтобы восстановить железо из его оксида(II), необходимо использовать восстановитель. В промышленности для этого часто используют угарный газ (CO), углерод (C) или водород (H₂) при высокой температуре.
Пример реакции с угарным газом:
$FeO + CO \xrightarrow{t^\circ} Fe + CO_2$
Ответ: $FeO + CO \xrightarrow{t^\circ} Fe + CO_2$

4. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$Fe \rightarrow FeCl_3 \rightarrow Fe(OH)_3 \rightarrow Fe_2O_3 \rightarrow Fe$

1)

2)

3)

4)

1) Для получения хлорида железа(III) из металлического железа необходимо провести реакцию с сильным окислителем, таким как газообразный хлор. Реакция обычно протекает при нагревании.

$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$

Ответ: $2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$.

2) Чтобы получить нерастворимый гидроксид железа(III) из его растворимой соли, хлорида железа(III), необходимо провести реакцию ионного обмена с раствором щелочи, например, с гидроксидом натрия ($NaOH$) или калия ($KOH$). В результате реакции выпадает бурый осадок гидроксида железа(III).

$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$

Ответ: $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$.

3) Гидроксид железа(III) является термически нестойким основанием. При нагревании он разлагается с образованием оксида железа(III) и воды.

$2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t} Fe_2O_3 + 3H_2O$

Ответ: $2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t} Fe_2O_3 + 3H_2O$.

4) Восстановление железа из оксида железа(III) — это ключевой промышленный процесс (доменная плавка). Его осуществляют при высокой температуре с помощью сильных восстановителей. В качестве восстановителя можно использовать угарный газ ($CO$), углерод ($C$), водород ($H_2$) или более активный металл, например, алюминий ($Al$).

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

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

5. Расставьте коэффициенты в схемах реакций с помощью метода электронного баланса.

a) $FeO + HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3 + NO + \underline{\hspace{2em}}$

б) $FeCl_3 + KI \rightarrow FeCl_2 + I_2 + \underline{\hspace{2em}}$

а) FeO + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + ___

Решение:

В данной окислительно-восстановительной реакции продуктами являются соль железа(III), оксид азота(II) и вода. Полная схема реакции:

$FeO + HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3 + NO + H_2O$

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:

$\overset{+2}{Fe} \overset{-2}{O} + H\overset{+1}{}\overset{+5}{N}\overset{-2}{O}_3 \rightarrow \overset{+3}{Fe}(\overset{+5}{N}\overset{-2}{O}_3)_3 + \overset{+2}{N}\overset{-2}{O} + H_2O$

Изменяют степень окисления железо (с +2 до +3) и азот (с +5 до +2).

Составим электронный баланс:

$Fe^{+2} - 1e^- \rightarrow Fe^{+3} \quad | \ 3 \quad$ (процесс окисления, FeO - восстановитель)
$N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2} \quad | \ 1 \quad$ (процесс восстановления, HNO₃ - окислитель)

Наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (1 и 3) равно 3. Разделив НОК на число электронов в каждом процессе, получаем коэффициенты.

Ставим коэффициент 3 перед соединениями железа ($FeO$ и $Fe(NO_3)_3$) и 1 перед соединениями азота, изменившими степень окисления ($NO$).

$3FeO + HNO_3 \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + 1NO + H_2O$

Теперь уравняем количество атомов азота. В правой части уравнения $3 \cdot 3 = 9$ атомов азота в нитрате железа(III) и 1 атом азота в оксиде азота(II), итого $9 + 1 = 10$ атомов. Следовательно, перед $HNO_3$ в левой части нужно поставить коэффициент 10.

$3FeO + 10HNO_3 \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO + H_2O$

Далее уравняем атомы водорода. Слева их 10 в $10HNO_3$. Чтобы справа тоже было 10, перед $H_2O$ ставим коэффициент 5.

$3FeO + 10HNO_3 \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO + 5H_2O$

Проверим баланс по кислороду:
Слева: $3 \cdot 1 + 10 \cdot 3 = 3 + 30 = 33$ атома.
Справа: $3 \cdot (3 \cdot 3) + 1 + 5 = 27 + 1 + 5 = 33$ атома.
Количества атомов всех элементов в левой и правой частях уравнения равны. Коэффициенты расставлены верно.

Ответ: $3FeO + 10HNO_3 = 3Fe(NO_3)_3 + NO + 5H_2O$

б) FeCl₃ + KI → FeCl₂ + I₂ + ___

Решение:

В данной реакции железо(III) окисляет йодид-ионы. Продуктами будут соль железа(II), свободный йод и соль калия. Полная схема реакции:

$FeCl_3 + KI \rightarrow FeCl_2 + I_2 + KCl$

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$\overset{+3}{Fe}Cl_3 + K\overset{-1}{I} \rightarrow \overset{+2}{Fe}Cl_2 + \overset{0}{I_2} + KCl$

Изменяют степень окисления железо (с +3 до +2) и йод (с -1 до 0).

Составим электронный баланс:

$Fe^{+3} + 1e^- \rightarrow Fe^{+2} \quad | \ 2 \quad$ (процесс восстановления, FeCl₃ - окислитель)
$2I^{-1} - 2e^- \rightarrow I_2^{0} \quad \quad | \ 1 \quad$ (процесс окисления, KI - восстановитель)

Наименьшее общее кратное для числа принятых и отданных электронов (1 и 2) равно 2.

Ставим коэффициент 2 перед соединениями железа ($FeCl_3$ и $FeCl_2$). Коэффициент 1 ставится перед $I_2$, а перед $KI$ ставим коэффициент 2 (т.к. в полуреакции участвуют $2I^{-1}$).

$2FeCl_3 + 2KI \rightarrow 2FeCl_2 + 1I_2 + KCl$

Теперь уравняем количество атомов калия и хлора. Слева 2 атома калия, значит справа перед $KCl$ нужен коэффициент 2.

$2FeCl_3 + 2KI \rightarrow 2FeCl_2 + I_2 + 2KCl$

Проверим баланс по хлору:
Слева: $2 \cdot 3 = 6$ атомов.
Справа: $2 \cdot 2 + 2 \cdot 1 = 4 + 2 = 6$ атомов.
Количества атомов всех элементов в левой и правой частях уравнения равны. Коэффициенты расставлены верно.

Ответ: $2FeCl_3 + 2KI = 2FeCl_2 + I_2 + 2KCl$

6. Определите массу 30%-ного раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов $Fe^{3+}$, содержащихся в 240 г 20%-ного раствора нитрата железа(III).

Дано:

Решение:

Дано:

$m(р-ра\ Fe(NO_3)_3) = 240\ г$

$\omega(Fe(NO_3)_3) = 20\% = 0,20$

$\omega(NaOH) = 30\% = 0,30$

Найти:

$m(р-ра\ NaOH) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции. При взаимодействии нитрата железа(III) с гидроксидом натрия происходит реакция обмена, в результате которой образуется нерастворимый осадок гидроксида железа(III) и нитрат натрия:

$Fe(NO_3)_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaNO_3$

Из уравнения видно, что на 1 моль нитрата железа(III) расходуется 3 моль гидроксида натрия.

2. Вычислим массу чистого нитрата железа(III), содержащегося в исходном растворе. Массовая доля вещества в растворе $(\omega)$ связана с массой вещества $(m_{вещества})$ и массой раствора $(m_{раствора})$ формулой $m_{вещества} = m_{раствора} \times \omega$.

$m(Fe(NO_3)_3) = 240\ г \times 0,20 = 48\ г$

3. Рассчитаем молярные массы необходимых веществ, используя периодическую таблицу химических элементов Д.И. Менделеева (атомные массы округляем до целых, кроме хлора):

$M(Fe(NO_3)_3) = 56 + 3 \times (14 + 3 \times 16) = 56 + 3 \times 62 = 242\ г/моль$

$M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40\ г/моль$

4. Найдем количество вещества (число моль) нитрата железа(III) в 48 г:

$n(Fe(NO_3)_3) = \frac{m(Fe(NO_3)_3)}{M(Fe(NO_3)_3)} = \frac{48\ г}{242\ г/моль} \approx 0,1983\ моль$

5. Согласно стехиометрическому соотношению в уравнении реакции, количество вещества гидроксида натрия в 3 раза больше количества вещества нитрата железа(III):

$n(NaOH) = 3 \times n(Fe(NO_3)_3) = 3 \times \frac{48}{242}\ моль = \frac{144}{242}\ моль \approx 0,595\ моль$

6. Теперь можно рассчитать массу чистого гидроксида натрия, которая потребуется для реакции:

$m(NaOH) = n(NaOH) \times M(NaOH) = \frac{144}{242}\ моль \times 40\ г/моль = \frac{5760}{242}\ г \approx 23,8\ г$

7. Наконец, определим массу 30%-ного раствора гидроксида натрия, в котором содержится 23,8 г чистого вещества:

$m(р-ра\ NaOH) = \frac{m(NaOH)}{\omega(NaOH)} = \frac{5760/242\ г}{0,30} = \frac{5760}{242 \times 0,3}\ г = \frac{5760}{72,6}\ г \approx 79,34\ г$

Ответ: для полного осаждения ионов железа потребуется 79,34 г 30%-ного раствора гидроксида натрия.