Страница 141 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

3. Нарисуйте схему электролизной ванны для получения алюминия.

3.

Решение

Промышленное получение алюминия осуществляется электролизом раствора оксида алюминия (глинозема $Al_2O_3$) в расплавленном криолите ($Na_3AlF_6$) при температуре около 950 °C. Этот процесс называется процессом Холла-Эру. Электролизная ванна (электролизер) для этого процесса имеет следующее устройство.

Схема и устройство электролизной ванны:

Поскольку нарисовать схему в текстовом формате невозможно, приведем ее подробное словесное описание, которое соответствует стандартной схеме.

Электролизер представляет собой большую стальную ванну прямоугольной формы. Основные элементы:

1. Катод: Внутренняя поверхность стальной ванны выложена (футерована) угольными (графитовыми) блоками. Эта угольная футеровка служит катодом (отрицательным электродом). К стальному корпусу, соединенному с футеровкой, подключается отрицательный полюс источника постоянного тока. На дне ванны скапливается слой расплавленного жидкого алюминия, который также является частью катода и обеспечивает хороший электрический контакт.

2. Анод: Сверху в ванну на специальных держателях погружены массивные угольные блоки (предварительно обожженные или самообжигающиеся). Эти блоки являются анодом (положительным электродом). К ним подводится положительный полюс источника тока. В ходе электролиза аноды окисляются и постепенно расходуются («сгорают»), поэтому их необходимо периодически заменять или наращивать.

3. Электролит: Пространство между анодами и катодом заполнено расплавом. Электролит состоит из криолита ($Na_3AlF_6$) с растворенным в нем глиноземом ($Al_2O_3$). Чистый глинозем имеет очень высокую температуру плавления (более 2000 °C), а криолит выступает в роли растворителя, снижая рабочую температуру процесса до ~950 °C. Это делает процесс значительно более энергоэффективным. Поверхность расплава покрыта коркой из застывшего глинозема, которая уменьшает теплопотери.

4. Продукты реакции: В результате электролиза на дне ванны под слоем электролита собирается жидкий алюминий. Его плотность (~2,3 г/см³) выше плотности электролита (~2,1 г/см³), что позволяет ему оседать на дне. Периодически алюминий откачивают из ванны с помощью вакуумного ковша. Газообразные продукты (в основном $CO_2$) отводятся из-под анодов системой газоотвода.

Химические процессы в электролизере:

При пропускании постоянного электрического тока через расплав происходят следующие реакции:

1. Диссоциация оксида алюминия в расплаве на ионы: $Al_2O_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3O^{2-}$

2. На катоде (угольная футеровка и слой жидкого Al) происходит восстановление ионов алюминия:
$Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al^0(l)$

3. На аноде (угольные блоки) происходит окисление ионов кислорода:
$2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2(g)$

Выделившийся на раскаленном угольном аноде кислород немедленно реагирует с углеродом анода:
$C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$

4. Суммарное уравнение всего процесса, учитывающее расход анода:
$2Al_2O_3(раствор) + 3C(s) \rightarrow 4Al(l) + 3CO_2(g)$

Ответ: Схема электролизной ванны для получения алюминия включает стальной кожух, внутренняя поверхность которого покрыта угольными блоками, служащими катодом. Сверху в ванну погружены угольные аноды. Пространство между электродами заполнено расплавом оксида алюминия ($Al_2O_3$) в криолите ($Na_3AlF_6$). При электролизе на катоде (дне ванны) образуется и скапливается жидкий алюминий, а на угольных анодах выделяется кислород, который реагирует с углеродом анодов, образуя углекислый газ ($CO_2$), что приводит к постепенному расходу анодов.

4. Роль криолита в производстве алюминия:

Роль криолита в производстве алюминия:

Криолит ($Na_3AlF_6$ – гексафторалюминат натрия) играет ключевую, многофункциональную роль в основном промышленном методе получения алюминия — электролизе глинозёма ($Al_2O_3$) в расплаве (процесс Холла-Эру). Без криолита этот процесс был бы экономически и технически нецелесообразным.

Основные функции криолита:

1. Растворитель и понижение температуры плавления. Чистый глинозём ($Al_2O_3$) имеет очень высокую температуру плавления – около $2050^\circ C$. Проведение электролиза при такой температуре сопряжено с огромными энергозатратами и техническими сложностями. Криолит, имеющий температуру плавления около $1012^\circ C$, используется как растворитель для глинозёма. Раствор 2–10% глинозёма в расплавленном криолите плавится при температуре $950–970^\circ C$. Это позволяет проводить электролиз при значительно более низкой и технологически достижимой температуре, что кардинально снижает расход энергии.

2. Создание электропроводящей среды (электролита). Расплав криолита с растворенным в нем глинозёмом является ионным расплавом и хорошо проводит электрический ток. Криолит диссоциирует на ионы (в упрощенном виде $Na_3AlF_6 \rightarrow 3Na^+ + AlF_6^{3-}$), которые обеспечивают перенос заряда в электролите. Глинозём, растворяясь, также образует комплексные ионы, содержащие алюминий (например, $[AlOF_3]^{2-}$ или $[Al_2OF_6]^{2-}$), из которых на катоде восстанавливается металлический алюминий. Таким образом, криолит создает необходимую среду для протекания электрохимических реакций.

3. Обеспечение необходимой плотности расплава. Плотность расплавленного криолитового электролита (около $2.1 \text{ г/см}^3$) ниже плотности жидкого алюминия (около $2.3 \text{ г/см}^3$) при рабочей температуре. Благодаря этому, образующийся в процессе электролиза на угольном катоде (подине) жидкий алюминий скапливается на дне электролизёра, а более лёгкий электролит располагается над ним. Это защищает алюминий от окисления кислородом воздуха и от взаимодействия с анодными газами, а также позволяет удобно удалять металл из ванны.

4. Стабилизация процесса. Криолит обеспечивает стабильность состава электролита на протяжении длительного времени, так как он практически не расходуется в ходе электрохимических реакций, выступая в роли флюса-растворителя.

Таким образом, криолит не является исходным сырьем для получения алюминия, но служит незаменимой средой, в которой осуществляется весь технологический процесс.

Ответ: Криолит в производстве алюминия выполняет роль растворителя для глинозёма, что позволяет значительно (более чем на $1000^\circ C$) снизить температуру плавления электролита и, соответственно, энергозатраты на процесс. Он также создаёт ионную среду, необходимую для проведения электролиза, и обеспечивает разделение фаз (жидкий алюминий и электролит) благодаря разности плотностей, что защищает полученный металл от окисления.

5. К пирометаллургии относят:

1) водородотермию (пример)

2) магнийтермию (пример)

3) алюминотермию (пример)

1) водородотермию (пример) Водородотермия — это пирометаллургический процесс восстановления металлов из их оксидов газообразным водородом при нагревании. Этот метод используется для получения тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден, в чистом виде. Примером может служить реакция получения вольфрама из оксида вольфрама(VI): $WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} W + 3H_2O$.
Ответ: $WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} W + 3H_2O$.

2) магнийтермию (пример) Магнийтермия — это способ получения металлов восстановлением их соединений (чаще всего оксидов или хлоридов) металлическим магнием при высоких температурах. Метод применяется для производства таких активных и тугоплавких металлов, как титан, цирконий, уран. Пример — промышленное получение титана из тетрахлорида титана по процессу Кролла: $TiCl_4 + 2Mg \xrightarrow{t} Ti + 2MgCl_2$.
Ответ: $TiCl_4 + 2Mg \xrightarrow{t} Ti + 2MgCl_2$.

3) алюминотермию (пример) Алюминотермия — это метод получения металлов и неметаллов (а также ферросплавов) путем восстановления их оксидов порошкообразным алюминием. Процесс сопровождается выделением большого количества тепла, что позволяет достигать очень высоких температур. Примером является восстановление хрома из оксида хрома(III): $Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} 2Cr + Al_2O_3$.
Ответ: $Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} 2Cr + Al_2O_3$.

6. Найдите объём водорода (н. у.), необходимого для получения 920 кг молибдена из оксида молибдена(VI). Определите массу исходного сырья, если известно, что оно содержит 4 % примесей.

Дано:

Решение:

Дано:
Масса молибдена, $m(\text{Mo}) = 920 \text{ кг}$
Массовая доля примесей в сырье, $\omega(\text{примесей}) = 4 \%$

Масса молибдена в граммах: $m(\text{Mo}) = 920 \cdot 10^3 \text{ г} = 920000 \text{ г}$

Найти:
Объём водорода (н. у.), $V(\text{H}_2)$ - ?
Массу исходного сырья, $m(\text{сырья})$ - ?

Решение:
Запишем уравнение реакции восстановления оксида молибдена(VI) водородом. Оксид молибдена(VI) имеет формулу $\text{MoO}_3$. При восстановлении водородом образуется металлический молибден и вода:
$\text{MoO}_3 + 3\text{H}_2 \rightarrow \text{Mo} + 3\text{H}_2\text{O}$

Найдите объём водорода (н. у.), необходимого для получения 920 кг молибдена из оксида молибдена(VI).

1. Рассчитаем количество вещества (моль) полученного молибдена. Молярная масса молибдена $M(\text{Mo}) \approx 96 \text{ г/моль}$.
$n(\text{Mo}) = \frac{m(\text{Mo})}{M(\text{Mo})} = \frac{920000 \text{ г}}{96 \text{ г/моль}} \approx 9583,33 \text{ моль}$

2. По уравнению реакции, для получения 1 моль $\text{Mo}$ требуется 3 моль $\text{H}_2$. Следовательно, соотношение количеств веществ $n(\text{H}_2) : n(\text{Mo}) = 3 : 1$.
$n(\text{H}_2) = 3 \cdot n(\text{Mo}) = 3 \cdot 9583,33 \text{ моль} = 28750 \text{ моль}$

3. Рассчитаем объём водорода при нормальных условиях (н. у.), где молярный объём газа $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.
$V(\text{H}_2) = n(\text{H}_2) \cdot V_m = 28750 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 644000 \text{ л}$
Так как $1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$, то объём водорода равен $644 \text{ м}^3$.

Ответ: объём необходимого водорода составляет $644 \text{ м}^3$.

Определите массу исходного сырья, если известно, что оно содержит 4 % примесей.

1. По уравнению реакции, для получения 1 моль $\text{Mo}$ требуется 1 моль $\text{MoO}_3$. Значит, $n(\text{MoO}_3) = n(\text{Mo})$.
$n(\text{MoO}_3) \approx 9583,33 \text{ моль}$

2. Рассчитаем массу чистого оксида молибдена(VI), необходимого для реакции. Молярная масса $M(\text{MoO}_3) = 96 + 3 \cdot 16 = 144 \text{ г/моль}$.
$m(\text{чистого MoO}_3) = n(\text{MoO}_3) \cdot M(\text{MoO}_3) = 9583,33 \text{ моль} \cdot 144 \text{ г/моль} = 1380000 \text{ г} = 1380 \text{ кг}$

3. Исходное сырье содержит 4% примесей, значит массовая доля чистого $\text{MoO}_3$ в нем составляет:
$\omega(\text{чистого MoO}_3) = 100\% - \omega(\text{примесей}) = 100\% - 4\% = 96\% = 0,96$

4. Рассчитаем общую массу исходного сырья, зная массу чистого вещества и его массовую долю:
$m(\text{сырья}) = \frac{m(\text{чистого MoO}_3)}{\omega(\text{чистого MoO}_3)} = \frac{1380 \text{ кг}}{0,96} = 1437,5 \text{ кг}$

Ответ: масса исходного сырья составляет 1437,5 кг.