Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 14. МЕТАЛЛЫ ПОБОЧНЫХ ПОДГРУПП

§14.10. Решения типовых задач Металлы и сплавы

Задача 1. Восстанавливая углем соединение Fe(CrO₂)₂ (хромистый железняк), добывают сплав феррохром, который используют в металлургии. Определите массовую долю хрома в этом сплаве, считая, что других компонентов, помимо железа и хрома, он не содержит.

Решения. Выбираем для расчетов образец хромистого железняка количеством вещества 1 моль, то есть n7[Fe(CrO₂)₂] = 1 моль. Из формулы соединения следует:

n( Fe) = n[Fe(CrO₂)₂]; n(Fe) = 1 моль;

n(Cr) = 2n[Fe(CrO₂)₂]; n(Cr) = 2 моль,

где n(Fe) и n(Cr) - количества веществ и железа хрома, которые содержатся в выбранном образце соединения.

Определяем массы железа и хрома, которые будут добыты с 1 моль Fe(CrO₂)₂:

m(Fe) = (Fe) M (Fe) m(Fe) = 1 ∙ 56 = 56 (г);

m(Cr) = n(Cr) M (Сr); n(Cr) = 2 ∙ 52 = 104 (г).

Масса добытого сплава феррохрома состоит из масс двух металлов: m (сплава) = m (Fe) + m (Сr); m (сплава) = 56 + 104 = 160 (г). Вычислим массовую долю хрома в добытом ферохромі:

Задача 2. Молярная масса іодиду металла Меl₃ в 4 раза больше молярну массу оксида этого металла Мe₂В₃. Определите этот металл.

Решения. Молярная масса іодиду металла составляет:

M (Еl₃) = М (Me) + M(l);

M(Еl₃) = х + 3 ∙ 127 = х + 381 (г/моль),

где х - молярная масса металла.

Представим в таком же виде молярну массу оксида металла:

М (Ме₂О₃) = 2М (Me) + 3M(О);

М(Ме₂О₃) = 2х + 3 ∙ 16 = (2х + 48) (г/моль).

С условия задачи получается:

Решая данное уравнение, получаем, что х = 27, то есть М (Me) = 27 г/моль. Этот металл - алюминий.

Задача 3. Сплав дюралюмін содержит алюминий, магний и медь. Для анализа взят кусок сплава массой 6,8 г. Этот кусок погрузили в хлоридную кислоту и получили водород объемом 8,176 л (н.у.) и нерастворимый осадок массой 0,2 г. Вычислите массовые доли металлов в сплаве.

Решения. Из трех .компонентів сплава с хлоридной кислотой реагирует только алюминий и магний:

2Аl + 6НСl = 2АlСl₃ + ЗН₂; (а)

Mg + 2НСl = МgСl₂ + Н₂. (б)

Нерастворимый осадок - это медь, следовательно, m(Сu) = 0,2 г.

Вычисляем массу алюминия и магния в сплаве:

m(Аl + Mg) = m(сплава) - m(Cu);

m(Аl + Mg) = 6,8 - 0,2 = 6,6 (г).

Определяем количество вещества водорода, добытого во время растворения сплава:

Введем обозначения: х - масса алюминия в сплаве, то есть m(Аl) = х г; в - количество вещества водорода, добытого за реакцией (а), то есть n_а(Н2) = у моль. Тогда масса магния будет равна:

m(g) = m(Аl + Мg) - m(Аl);

m(g) = (6,6 - х) (г).

Количество вещества водорода, добытого по реакции (б), равна:

n_б(Н₂) = n(Н₂) - n_а(Н₂);

n_б(Н₂) = (0,365 - в) (моль).

Вычисляем количество вещества магния и алюминия:

С уравнения реакции (а) следует:

aпотому (в)

С уравнения реакции (б) следует:

n(g) = n_б(Н₂)

или

                           (г)

Решая систему уравнений (в) и (г), получаем, что х = 6,48, то есть m(Аl) = 6,48 г. Тогда

m(Al) = m(Al + Mg) - m(Аl);

m(Mg) = 6,6 - 6,48 = 0,12 (г).

Вычисляем массовые доли металлов в сплаве:

Ряд стандартных электродных потенциалов

Задача 1. Какие вещества и в какой последовательности выделяются на катоде при электролизе водного раствора смеси солей: KNO₃, Zn(NO₃)₂ и AgNO₃?

Решения. Легче всего восстанавливаются на катоде ионы металла с наиболее положительным электродным потенциалом. По табл. 12.1 определяем:

Е°К⁺/К = -2,92 В; Е°Z_n²⁺/Zn = -0,76 В; E°Ag⁺/Ag = +0,80 В.

Итак, в первую очередь на катоде будут восстанавливаться ионы аргентуму и выделится металлическое серебро:

Аg⁺ + е^- = Аg;

вслед за ними восстановятся ионы цинка, образовав металлический цинк:

Zn²⁺ + 2е^- = Zn.

Ионы калия относятся к таким катионов, восстановление которых невозможно осуществить в водном растворе. Поэтому после восстановление ионов аргентуму и цинка на катоде будут восстанавливаться молекулы воды с образованием гидроксид-ионов и молекулярного водорода:

2Н₂О + 2е^- = 2OН^- + Н2.

Задача 2. Или будет взаимодействовать железо с водными растворами: 1 Г нитрата свинца(II), серной кислоты, хлорида 1М калия (см. § 5.1)?

Решения. Стандартный электродный потенциал железного электрода E°_Fe2+/Fe = -0,44 В (см. табл. 12.1), больше, чем стандартный электродный потенциал калиевого электрода (Е°_K+/K = -2,92 В), и меньше от электродных потенциалов свинцового (E°_Рb2+/Гb = -0,13 В) и водородного (Е°_2Н+/Н2-0,13 В) электродов. Итак, железо не будет взаимодействовать с раствором хлорида калия, но будет взаимодействовать с растворами нитрата свинца(II) и серной кислоты:

Fe + Гb(NО₃)₂ = Fe(NO₃)₂ + Pb;

Fe + H₂SO₄ ⁼ FeSO₄ + Н₂.

Задача 3. Цинковую пластинку массой 12 г поместили в раствор ацетата свинца(II. Через некоторое время масса пластинки увеличилась на 3,55 г. Вычислите массу свинца, который выделился, и массу цинка, что растворился.

Решения. Стандартные электродные потенциалы цинкового и свинцового электродов составляют:

E°_Zn2+/Zn = -0,76 В; E°_рb2+/гb = -0,13 В.

Следовательно, в растворе происходит замещение свинца на цинк:

Zn + Гb(СН₃СОО)₂ = Zn(CH₃COO)₂ + Pb.

Обозначаем изменение массы пластинки символом ∆m, то есть ∆m = 3,55 г. Изменение массы произошло вследствие того, что цинк частично растворился, а свинец (тяжелый металл) осела на пластинке, то есть∆m = m (Рb)- m(Zn);

m(Рb) - m(Zn) = 3,55 (г), (a)

где m (Pb) - масса свинца, который образовался, а m (Zn) - масса цинка, что растворился.

Выражаем количества веществ цинка и свинца, которые участвовали в реакции, через их массы:

С уравнения реакции следует, что n(Zn) = n(Рb), поэтому

    (б)

Решая систему уравнений (а) и (б) находим:

m(Zn)= 1,625 г; m (Рb) = 5,175 г.