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

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

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 Fe₂O₃∙ xH₂O, 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) – FeSO₄∙ yH₂O. Найдём y. Mr(FeSO₄∙ yH₂O) = 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)₂∙ zH₂O. Найдём z. Mr(KFe(SO₄)₂∙ zH₂O) = 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 Fe₂O₃∙ xH₂O 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:

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒