РАСТВОРЫ. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ 5 страница

 

ΔG0 = – zFE0 = –2·96500(0,77 – 0,34) ·10-3 = –82,99 кДж.

 

Реакция термодинамически возможна.

Пример 7.3. По значениям электродных потенциалов окисли-теля и восстановителя выясните, может ли хром применяться для восстановления ионов олова и бария из отработанных электролитов?

 

Р е ш е н и е

n

2Сr + 3SnCl2 = 2CrCl3 + 3Sn0

восст. окисл.

 

φ = –0,74 В; φ = –0,14 В.

 

Так как φокисл > φвосст, реакция термодинамически возможна.

 

2Cr + 3Ba(NO3)2 = 3Ba0 + 2Cr(NO3)3

восст. окисл.

 

φ = –0,74 В; φ = –2,9 В.

 

Так как φокисл < φвосст, реакция термодинамически невозможна.

Следовательно, хром может использоваться только для восстановления олова из раствора SnCl2.

 

Пример 7.4. Для подготовки поверхности перед нанесением защитного покрытия требуется удалить оксиды металлов, образовавшиеся самопроизвольно или в результате термообработки. Исходя из кислотно-основного характера оксидов и приведенных данных рассчитайте, в каком из двух электролитов (H2SO4, KOH) оксид Fe2O3 может быть удален полностью. Концентрация электролитов 3 М, объем 1,5 л, масса оксида 200 г.

 

Р е ш е н и е

Оксид Fe2O3 обладает амфотерными свойствами и поэтому взаимодействует как с кислотами, так и с щелочами:

а) Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O.

 

Число молей H2SO4 : ;

число молей Fe2O3: по уравнению число молей Fe2O3 в 3 раза меньше число молей H2SO4: ;

молярная масса Fe2O3: = (55,8·2 + 16·3) = 159,6 г/моль;

масса Fe2O3:

 

б) Fe2O3 + 2KOH = 2KFeO2 + H2O.

 

Число молей КОН:

число молей Fe2O3: по уравнению число молей Fe2O3 в 2 раза меньше число молей КОН:

масса Fe2O3:

 

Таким образом, оксид Fe2O3 массой 200 г может быть полностью удален с поверхности как с использованием H2SO4, так и КОН, так как электролита хватает для стравливания гораздо большей массы Fe2O3.

 

Пример 7.5. С целью удаления дефектного покрытия, основную часть которого составляет железо, образец подвергается травлению в азотной кислоте в течение 15 мин. Рассчитайте, какой объем азотной кислоты потребуется для полного удаления покрытия. Площадь по-верхности образца 5 см2, концентрация азотной кислоты 2 моль/л, скорость травления Vтр равна 0,112 г/см2·мин.

 

Р е ш е н и е

2 Fe + 8HNO3 = 3Fe(NO3)2 + 2NO + 4H2O

 

Масса железа, вступающего в реакцию, по уравнению равна 2·55,6 г. На 2 моля железа приходится 8 молей азотной кислоты.

 

2·55,6 г Fe реагирует с 8 молями HNO3

х г Fe реагирует с 2 моль/л·V л HNO3

 

(Масса Fe ) х = ;

 

Масса Fe = Vтр·t·S = 0,112 г/см2·мин·15 мин·5 см2 = 8,4 г,

 

(Объем электролита HNO3) V = .

 

Задачи

7.1. Для указанных металлов выпишите валентные электроны в нормальном и возбужденном состояниях, перечислите все возможные степени окисления, приведите формулы оксидов и гидроксидов для наиболее устойчивых степеней окисления, указав их окислительно-восстановительный и кислотно-основной характер.

 

Т а б л и ц а 7.1

 

Вариант Металл Вариант Металл
Ti 1’ Fe
Pt 2’ Ru
Zn 3’ Cr
V 4’ Rb
Ag 5’ In
Ga 6’ Cd
Cu 7’ Zr
W 8’ Sn
Al 9’ Hg
Nb 10’ Mo
Sr 11’ Re
Ni 12’ Au
Mn 13’ La
Ba 14’ Pb
Hf 15’ Cd

 

7.2. Запишите предполагаемое уравнение химической реакции взаимодействия металла с указанным электролитом. Уравняйте стехиометрические коэффициенты ионно-электронным методом. Рассчитайте ΔG химической реакции и сделайте вывод о ее термодинамической вероятности без учета перенапряжения.

Т а б л и ц а 7.2

 

Вариант Металл Электролит Вариант Металл Электролит
Cu H2SO4, конц. 1’ Ti HCl, pазб.
Zn H2SO4, pазб. 2’ V H2SO4, конц.
Al NaOH 3’ Fe NaOH
Sn H2SO4, конц. 4’ Ag H2SO4, конц.
Mg H2O 5’ Sr H2O
Ni HNO3, разб. 6’ Zn H2SO4, конц.
Ga H2SO4, pазб. 7’ Fe H2SO4, конц.
Cr HNO3, разб. 8’ Pb H2SO4, конц.
Ga H2SO4, конц. 9’ Ag HNO3, разб.
Al HNO3, конц. 10’ Sn HCl, pазб.
Pb HNO3, разб. 11’ V HNO3, разб.
Ca H2O 12’ Sr H2SO4, pазб.
Cr H2SO4, pазб. 13’ Cu HNO3, конц.
Ga NaOH 14’ Mg HNO3, разб.
Ni H2SO4, конц. 15’ Ca H2SO4, pазб.

 

7.3. По значениям электродных потенциалов окислителя и восстановителя выясните, может ли данный металл применяться для восстановления ионов металлов из отработанных электролитов.

 

Т а б л и ц а 7.3

 

Вари-ант Металл Электролит Вари-ант Металл Электролит
Fe SnCl2, MnSO4 1’ Ca LiCl, Co(NO3)2
Zn GaCl3,Ba(NO3)2 2’ Cr FeCl2, MgCl2
Mg Ca(NO3)2, MnCl2 3’ Sn In(NO3)3, Cd(NO3)2
In CuSO4, CrCl3 4’ Ag Sr(NO3)2, CdCl3
Co FeSO4, PbCl2 5’ Fe VCl2, Mn(NO3)2
Ni SnCl2, LiCl 6’ Sr ZnSO4, NiSO4
Cd Co(NO3)2,Pb(NO3)2 7’ Al MnCl2, LaCl3
Cu Ga(NO3)3, AgNO3 8’ Ti Co(NO3)2, CrCl3
Ba FeCl2, Mg(NO3)2 9’ V FeSO4, AlCl3
Окончание табл. 7.3
Hg InCl3, CuSO4 10’ Co Ba(NO3)2, SnCl2
Pb LaCl3, Cu(NO3)2 11’ Mn InCl3, MgCl2
Sn Cr2(SO4)3, AgNO3 12’ Pb Sn(NO3)2, CuSO4
Mn BaCl2, GaCl3 13’ In GaCl3, Pb(NO3)2
Ga PbCl2, In(NO3)3 14’ Al SrCl2, V(NO3)2
La SnSO4, SrCl2 15’ Cr Al(NO3)3, CdCl2

 

7.4. Для подготовки поверхности перед нанесением защитного покрытия требуется удалить оксиды металлов, образовавшиеся само-произвольно или в результате термообработки. Исходя из кислотно-основного характера оксидов и приведенных данных, рассчитайте, в каком из двух предлагаемых электролитов оксид может быть удален полностью. Концентрация электролитов 3 моль/л, объем 1,5 л, масса оксида 200 г.

Т а б л и ц а 7.4

 

Вариант Оксид Электролиты Вариант Оксид Электролиты
FeO HNO3, NaOH 1’ TiO2 H2SO4, NaOH
Al2O3 HCl, KOH 2’ SnO2 HNO3, KOH
MnO3 H2SO4, NaOH 3’ CuO H2SO4, KOH
ZnO H2SO4, NaOH 4’ PbO HNO3, NaOH
SnO HNO3, KOH 5’ Nb2O5 HCl, NaOH
PbO2 HCl, KOH 6’ CrO H2SO4, KOH
Cu2O H2SO4, NaOH 7’ Mo2O3 H2SO4, KOH
Fe2O3 HNO3, KOH 8’ ScO HNO3, KOH
MnO HNO3, KOH 9’ Fe2O3 HCl, NaOH
NiO H2SO4, NaOH 10’ Nb2O5 H2SO4, NaOH
V2O3 H2SO4, KOH 11’ MgO HNO3, KOH
MoO HNO3, KOH 12’ Ru2O3 HNO3, NaOH
Sc2O3 H2SO4, NaOH 13’ BaO H2SO4, KOH
CaO HCl, NaOH 14’ Cr2O3 H2SO4, KOH
CrO3 H2SO4, KOH 15’ Mn2O3 HNO3, NaOH

 

7.5. С целью удаления дефектного покрытия, основную часть которого составляет указанный металл, образец подвергается травлению в электролите. Рассчитайте, какой объем электролита потребуется для полного удаления покрытия. Площадь поверхности образца 5 см2, концентрация электролита (с), время обработки (t) и скорость травления (Vтр) приведены в таблице. При записи уравнения химической реакции учтите концентрацию кислоты (концентрированная или разбавленная).

Т а б л и ц а 7.5

 

Вариант Металл Электролит с, моль/л t, мин Vтр, г/см2·мин  
Cu HNO3 1 (разб) 0,128  
Fe HCl 5 (конц) 0,280  
Mg H2SO4 4 (конц) 0,458  
Zn HCl 0,5 (разб) 0,109  
Ti HNO3 4,5 (конц) 0,130  
Ni H2SO4 12 (конц) 0,590  
Co HNO3 5,5 (конц) 0,074  
Cu H2SO4 15 (конц) 0,320  
Zn H2SO4 1,5 (разб) 0,392  
Sn HNO3 1 (разб) 0,148
Ni HNO3 4,5 (конц) 0,113
Fe H2SO4 1,3 (разб) 0,112
Al HCl 1 (разб) 0,068
Cd HNO3 3,5 (конц) 0,262
Ti HNO3 20 (конц) 0,407
1’ Pb HNO3 3,5 (конц) 0,310
2’ Co H2SO4 17 (конц) 3,5 0,304
3’ Mg HCl 1,3 (разб) 0,432
4’ Al H2SO4 1,5 (разб) 0,108
5’ Cr HNO3 8 (конц) 0,390
6’ Mn H2SO4 10 (конц) 0,336
7’ Co HCl 6 (конц) 0,094
8’ In H2SO4 0,5 (разб) 0,382
9’ Sn HNO3 5 (конц) 0,298
10’ Fe HNO3 0,7 (разб) 0,400
11’ Al HNO3 6 (конц) 0,420
12’ Cd H2SO4 10 (конц) 0,300
13’ Pb HNO3 0,5 (разб) 0,550
14’ Mg H2SO4 7 (конц) 0,642
15’ Zn HNO3 8 (конц) 0,228

 

7.6. Олово со свинцом образует легкоплавкую эвтектику «третник», являющуюся припоем при низкотемпературной пайке различных металлов. Рассчитайте, какой объем газа выделится при растворении 15 г припоя, содержащего 61 % Sn и 39 % Pb в концентрированной азотной кислоте при н.у., учитывая, что олово растворяется с образованием оловянной кислоты H2SnO3, а свинец образует нитратную соль.

7.7. Одним из методов очистки ртути от примесей является промывка в слабом растворе HNO3. Ртуть в нем не растворяется, а примеси металлов переходят в ионное состояние. Рассчитайте, какой объем 0,5 моль/л раствора HNO3 потребуется для очистки Hg(Zn) массой 10 г, если загрязненность цинком составляет 25 масс.%. Продуктом восстановления азотной кислоты считать N2.

7.8. Для металлургии хром получают в виде сплава с железом (феррохром) восстановлением хромистого железняка углем в электрической печи. Рассчитайте, сколько Fe, Cr и CO получится при восстановлении 1 кг железняка.

7.9. Одним из методов получения гафния, который применяется в турбореактивных двигателях, ракетах, спутниках и высоковакуумной технике, является восстановление гексафторгафниата (IV) калия натрием при нагревании по реакции:

K2[HfF6] + 4 Na = Hf + 2 KF + 4 NaF.

Рассчитайте массу фторидов калия и натрия, образующихся при получении 1 кг гафния.

7.10. При взаимодействии ниобия со фтором и последующим растворением полученного пентафторида во фториде калия получается комплексная соль гексафторониобата калия. Рассчитайте массу комплексной соли, которая может быть получена из 20 г Nb.

7.11. Карбид натрия Na2C2 получается при непосредственном взаимодействии металла с углеродом и далее разлагается водой с выделением гидроксида металла и углеводорода. Напишите уравнения химических реакций и рассчитайте массу натрия, если в результате взаимодействия получено 11,2 л С2Н2.

7.12. Основным природным минералом марганца является пиролюзит MnO2. Рассчитайте, сколько марганца образуется при восстановлении его из 1 кг MnO2 методом кремнийтермии.

7.13. Ванадий взаимодействует при сплавлении со щелочами в присутствии окислителей (например, О2, Н2О2 и др.) с образованием анионного оксикомплекса [VO4]3-. Рассчитайте, сколько кислорода необходимо израсходовать для полного сплавления 5 г ванадия с КОН.

7.14. Рений, который входит в состав жаростойких покрытий и используется в электротехнической промышленности, обычно выделяют нагреванием NH4ReO4 в токе водорода. Рассчитайте, какое количество рения и азота можно получить из 1,5 кг рениевокислого аммония.

7.15. Гафний относительно легко растворяется в царской водке (смеси соляной и азотной кислот) с образованием комплексного соединения Н2[HfCl6]. Рассчитайте объем оксида азота (II), который выделится при полном растворении 15 г Hf.

7.16. В процессе отделения самородного золота от пустой породы одной из операций является его вытеснение из цианистых электролитов цинком по реакции

2Na[Au(CN)2] + Zn = Na2[Zn(CN)4] + 2Au .

Рассчитайте массу золота, которая может быть получена из 2 л 0,3 моль/л раствора дицианоаурата (I) натрия.

7.17. Рутений в виде компактного металла устойчив по отношению к кислотам и их смесям, но разрушается при сплавлении со щелочами в присутствии кислорода. Рассчитайте, какое количество Na2RuO4 образуется при полном сплавлении 20 г Ru с гидроксидом натрия и какой объем водяного пара при этом выделяется.

7.18. Платина (подобно золоту) растворяется лишь в царской водке (смеси азотной и соляной кислот). Рассчитайте, какой объем (н.у.) оксида азота (II) выделится при растворении 10 г Pt в смеси указанных кислот.

7.19. Исходя из характера изменения радиуса атомов и восстановительной активности металлов объясните, как изменяются окислительные свойства гексафторидов в ряду от WF6 до PtF6.

7.20. 12 % хромистая нержавеющая сталь марки ЭИ-961 с малым содержанием никеля применяется для изготовления дисков, лопаток, пружин сжатия и других деталей, работающих в условиях нагрева до 600 оС и повышенной влажности. Рассчитайте массовое содержание элементов в 1 кг такой стали, если ее процентный состав: С – 0,15; Mn – 11; Ni – 12; W – 20; V – 0,20; Mo – 0,50; остальное Fe.

7.21. Пирометаллургический процесс извлечения меди из сернистых руд типа медного колчедана выражается следующей суммарной реакцией:

2CuFeS2 + 5O2 + 2SiO2 = 2Cu + 2FeSiO3 + 4SO2.

Сколько меди можно получить из 1 т колчедана, если пустая порода составляет 28 %?

7.22. Одним из методов получения кадмия, используемого для изготовления фотоячеек, подшипников в автомобильной промыш-ленности и других целей, является восстановление его углеродом при нагревании. Рассчитайте, какая масса кадмия может быть получена из 100 кг оксида кадмия и сколько литров двуокоси углерода при этом выделится?

7.23. Оксиды f-металлов в основном являются тугоплавкими и применяются в качестве добавок в огнеупорные материалы. Рассчитайте массу СеО2, которая может быть получена при окислении 40 г церия в токе кислорода.

7.24. Соединения хрома со степенью окисления 2+ неустойчивы и, являясь сильными восстановителями, легко окисляются до Cr3+.

Напишите уравнение химической реакции и рассчитайте массу соли Cr(OH)Cl2, которая образуется при взаимодействии соли CrCl2 с 5 молями кислорода, содержащимися в воде.

7.25. Карбонат железа растворяется в воде, содержащей двуокись углерода, благодаря образованию растворимого бикарбоната железа Fe(HCO3)2, который на воздухе превращается в Fe(OH)3. Учитывая это свойство, бутылки с минеральной водой, содержащей карбонаты железа, заполняются до отказа, чтобы исключить образование осадка Fe(OH)3. Запишите, какие реакции возможны в данном случае.

7.26. Какую массу металлического иридия можно получить и какой объем газа SO2 выделяется при нагревании в присутствии кислорода 40 г сульфида Ir2S3 с последующим термическим разложением полученного оксида иридия (III)?

7.27. Лантаноиды активно взаимодействуют с водой и слабо пассивируются гидроксидными пленками. Рассчитайте, какой объем водорода выделится, если реакции подвергается 45 г гадолиния.

7.28. Оцените и объясните изменение прочности оксидов марганца по значениям теплот образования (-ΔН кДж/моль)

оксиды MnO Mn2O3 MnO2 Mn2O7

- ΔН 389,53 973,6 524,67 690,4.

 

7.29. Для обезвоживания используется способность циркония разлагать воду при повышенных температурах с образованием оксида и гидроксида циркония (IV). Рассчитайте объем паров воды, который может быть уловлен при пропускании влажного газа через циркониевую сетку, если в реакцию вступает при этом 150 г поверхностного слоя Zr. Расчет ведите для н.у.

7.30. Какое количество металлического иридия, парообразных хлорида аммония и хлора может быть получено при термическом разложении 200 г комплексной соли (NH4)2[IrCl6]?

7.31. При действии смеси СО2 и Н2 на порошкообразный металлический марганец образуется MnO и Mn3C. Рассчитайте, какое количество марганца вступает в реакцию, если в результате реакции выделяется 80 г MnO.

7.32. При нагревании без доступа воздуха 45 г металлического висмута с селеном получен селенид трехвалентного висмута Bi2Se3, который обладает фотоэлектрическими свойствами. При последующем окислении в кислороде образовалось 25 г SeO2. Рассчитайте, какая доля висмута подверглась окислению.

7.33. При температуре выше 700 оС двуокись углерода окисляет молибден до трехокиси молибдена. Рассчитайте, какое количество МоО3 и СО образуется в результате окисления 120 г молибдена.

7.34. Одним из методов получения металлического хрома является кремнийтермическое восстановление оксида хрома (III) в присутствии СаО. Рассчитайте, какое количество кремния понадобится для восстановления 20 г хрома и сколько совместно с ним образуется СаSiО3.

7.35. Серебристо-белый порошок технеция, который является парамагнитным и тугоплавким металлом, получается искусственным путем: восстановлением при нагревании до 600 оС оксидов и сульфидов водородом в платиновой (или серебряной) лодочке, помещенной в трубку из тугоплавкого стекла. Рассчитайте, какое количество водорода потребуется для полного восстановления технеция из 120 г смеси порошков Тс2О7, ТсО2 и Тс2S7, в которой массовое соотношение компонентов составляет 1:2:3.


>14
  • Далее ⇒