Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Решение Задачи 11-2 (автор: Беззубов С. И.)



1. Водным аммиаком можно осадить гидроксиды металлов, проявляющие слабые по сравнению с аммиаком основные свойства, при условии, что соответствующий металл не образует аммиачные комплексы. Если А – гидроксид элемента X бурого цвета, тогда соль B – сульфат, так как она получается при действии серной кислоты на этот гидроксид. Сульфат B проявляет окислительные свойства по отношению к сильным восстановителям (SO2, иодид, сульфид ионы). Значит, X – переходный элемент. (Это следует из того, что соль С – тоже сульфат, так как растворимые в воде сульфиты дают только непереходные металлы.) То есть X образует сульфаты в двух разных степенях окисления, причём водные растворы B окрашены в характерный для этой степени окисления X жёлтый цвет. Смешанный сульфат D – по всей вероятности, квасцы, которые дают только трёхзарядные катионы, значит В содержит X +3. Учитывая все эти соображения, элементом X может быть только железо. Кроме того, щелочное окисление хлором гидроксида железа (III) приводит именно к красно-фиолетовым растворам, содержащим анионы феррата (IV). Хром и марганец в таких условиях давали бы, соответственно, жёлтые растворы хромата (IV) CrO42− и зелёные манганата (IV) MnO42− . Впрочем, и в низких степенях окисления в водных растворах Cr(III) и Mn(III) имеют отличную от жёлтой окраску.

Бурый гидроксид железа (III), образующийся непосредственно после осаждения, например, аммиаком, называется также ферригидритом. Вокруг его структуры до сих пор идут споры в связи с чрезвычайно малым размером образуемых частиц (< 10 нм). Попытки вырастить более крупные частицы, к сожалению, приводят к образованию более стабильных модификаций гидроксида железа (III). Ферригидрит входит в состав белкового комплекса ферритина, имеющего колоссальное физиологическое значение для организма животных и человека.

 

2. Таким образом, описанные превращения касаются элемента железа.

X – Fe

A – Fe2O3∙ 3H2O (или Fe2O3xH2O, или Fe(OH)3)

B – Fe2(SO4)3

C – FeSO4

D – 2KFe(SO4)2∙ 12H2O

E – K2FeO4 (принимается любой феррат (VI), в том числе и в ионной форме FeO42− )

F – BaFeO4

Расчёт молярной массы феррата (VI) бария:

Молярная масса удушливого жёлто-зелёного газа Mr(газа) = 22, 4∙ 3, 17 = 71 (г/моль) – это хлор. ν (Cl2) = 0, 179/22, 4 = 0, 0080 (моль).

Используя уравнение реакции 9) (см. пункт 3), ν (феррата бария) = 0, 008∙ 2/3 (моль).

Mr(феррата бария) = 1, 37∙ 3/0.008/2 = 257 (г/моль). Молярная масса соответствует формуле BaFeO4.

Определение формулы кристаллогидрата C:

Формула кристаллогидрата сульфата железа (II) – FeSO4yH2O. Найдём y. Mr(FeSO4yH2O) = 56 + 96 + y∙ 18 = 152 + 18y (г/моль).

ω (H2O) = 18y/(152 + 18y) = 0, 453. Отсюда y = 7. Формула FeSO4∙ 7H2O

Определение формулы кристаллогидрата F:

Смешанный сульфат содержит ионы железа (III), калия, сульфат и молекулы воды. Из условия электронейтральности молекулы соли формула – KFe(SO4)2zH2O. Найдём z. Mr(KFe(SO4)2zH2O) = 39 + 56 + 2∙ 96 + z∙ 18 = 287 + 18z (г/моль).

ω (H2O) = 18z/(287 + 18z) = 0, 429. Отсюда z = 12. Формула KFe(SO4)2∙ 12H2O

Проверка массовых долей железа:

кристаллогидрат C: ω (Fe) = 56/278 = 0, 201

F: ω (Fe) = 56/503 = 0, 111.

Всё сходится с условием задачи.

 

3. Уравнения реакций (засчитывается также Fe2O3xH2O или Fe(OH)3):

1) Fe2(SO4)3 + 6NH3∙ H2O = Fe2O3∙ 3H2O↓ + 3(NH4)2SO4

2) Fe2O3∙ 3H2O + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O

3) Fe2(SO4)3 + SO2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4

4) Fe2(SO4)3 + 2KI 2FeSO4 + K2SO4 + I2

5) Fe2(SO4)3 + H2S = 2FeSO4 + H2SO4 + S↓

6) Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 24H2O = 2KFe(SO4)2∙ 12H2O↓

7) Fe2O3∙ 3H2O + 3Cl2 + 10KOH = 2K2FeO4 + 6KCl + 8H2O

8) K2FeO4 + Ba(OH)2 = BaFeO4↓ + 2KOH

9) 2BaFeO4+ 16HCl = 2FeCl3 + 3Cl2↑ + 2 BaCl2 + 8H2O

 

4. При растворении квасцов в воде происходит гидролиз по катиону. В действительности, Fe(OH)3 начинает осаждаться уже при рН 1, поэтому в водных растворах всех солей железа (III) в высокой концентрации представлены различные продукты гидролиза, которые и обуславливают жёлтую окраску. В данном пункте засчитывается уравнение реакции гидролиза Fe3+ по любой ступени, например:

Fe3+ + H2O FeOH2+ + H+,

FeOH2+ + H2O Fe(OH)2+ + H+,

Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)3↓ + H+,

или реакция в молекулярной форме:

2KFe(SO4)2∙ 12H2O Fe2O3∙ 3H2O↓ + K2SO4 + 3H2SO4 + 18H2O

 

5. Речь идёт о превращении ферригидрита при 70 °C в щелочном растворе в более стабильную модификацию: гётит ( G, Gö thite), что сопровождается потерей части воды:

Fe2O3∙ 3H2O 2FeOOH + 2H2O.

При более высокой температуре идёт полная дегидратация:

Fe2O3∙ 3H2O Fe2O3 + 3H2O,

с образованием оксида железа (III), наиболее известный минерал которого гематит ( H, Hematite).

Проверка массовых долей железа:

G: ω (Fe) = 56/89 = 0, 629

H: ω (Fe) = 112/160 = 0, 700.

Всё сходится с условием задачи.

Система оценивания:

1. За обоснованное определение железа 2 балла, установление металла без пояснений – 1 балл; 2 балла
2. За правильные формулы веществ A–F по 0, 5 балла, за расчёт состава кристаллогидратов C и D по 1 баллу; 5 баллов
3. За правильные уравнения реакций 1–9 по 1 баллу; 9 баллов
4. За указание причин жёлтой окраски с уравнением гидролиза 2 балла, без уравнения – 1 балл; 2 балла
5. За правильные формулы G и H по 0, 5 балла, за уравнения реакций образования гётита и Fe2O3 по 0, 5 балла; 2 балла
  ИТОГО: 20 баллов

Решение Задачи 11-4(автор: Седов И. А.):

1. Исходя из массовых долей элементов, определим простейшие формулы веществ:

A: (85.6 / 12): (14.4 / 1) = 1: 2, (CH2)n;

B: (44.6 / 12): (6.2 / 1): (49.3 / 16) = 6: 10: 5, (C6H10O5)n;

C: (40 / 12): (6.7 / 1): (53.3 / 16) = 1: 2: 1, (CH2O)n.

Формула A соответствует циклоалканам и алкенам. Из последних при реакции с водой получаются спирты. Формулы B и C соответствуют углеводам, причём формула B – либо продуктам дегидратации гексоз, либо полисахаридам (C6H10O5)n. С учётом распространённости в природе и относительной сложности гидролиза можно сделать вывод, что это целлюлоза (а изомер из пункта 5 – крахмал). Тогда C – глюкоза, C6H12O6, которая, как известно, под действием ферментов превращается в этиловый спирт C2H5OH ( X ). Значит, A – этилен C2H4.

C2H4 + H2O = C2H5OH

(C6H10O5)n + n H2O = n C6H12O6

C6H12O6 = 2 C2H5OH + 2 CO2

2. Найдём стандартные мольные энтальпии образования веществ A C:

A Δ H° (C2H4) = 1.87 · 28 = 52 кДж/моль;

B Δ H° (C6H10O5) = –5.93 · 162 = –961 кДж/моль;

C Δ H° (C6H12O6) = –7.07 · 180 = –1273 кДж/моль.

Для удобства обозначим Δ H° (C2H5OH) = x, Δ H° (H2O) = y, Δ H° (CO2) = z. Тогда:

x – 52 – y = –43.7;

– 1273 + 961 – y = –26.2;

2x + 2z + 1273 = –67.7.

Решая эту систему, находим Δ H° (C2H5OH) = x = –278 кДж/моль.

Кроме того, для дальнейших расчётов нам понадобятся полученные значения y = –286 кДж/моль, z = –393 кДж/моль.

3. Гомолог – пропен C3H6, из которого получается пропанол-2 (CH3)2CHOH. (Пропанол-1 не оценивается).

4. Исходя из приведённых цифр, себестоимость производства 1 тонны этанола из этилена в России составляет 15000 · M(C2H4) / M(C2H5OH) = 9130 рублей, в Европе 1000 · M(C2H4) / M(C2H5OH) = 609 евро; из целлюлозы в России 40000 · M(C6H10O5) / M(C6H12O6) = 36000 рублей, в Европе 600 · M(C6H10O5) / M(C6H12O6) = 540 евро. В Европе выгоднее производство спирта из целлюлозы, а в России из этилена.

(Однако ещё более выгодно, с учётом приведённых выше цен, ничего не производить, а продавать этилен в Европу.)

5. Крахмал также является полимером глюкозы, но с α -гликозидными связями. Гидролиз крахмала протекает в гораздо более мягких условиях.

6. Рассчитаем теплоту сгорания 1 литра этанола по реакции

C2H5OH + 3O2 = 2CO2 + 3H2O

Стандартная энтальпия сгорания равна –2·393 − 3·286 + 278 = − 1366 кДж/моль, или 29.7 МДж/кг. Такое количество энергии выделяет 29.7/33 = 0.9 л бензина. Чтобы конкурировать с ним, цена этанола должна быть не более 0.9·8 = 7.2 рубля за кг или 7200 рублей за тонну.

 

Система оценивания:


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 665; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.034 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь