Общая химия для поступающих в вузы. Учебное пособие

4Al + 3O2 → 2Al2O3.

2.Al2O3 – амфотерный оксид, легко реагирует со щелочами Al2O3 + 2NaOH ¾ ¾t ® 2NaAlO2 + H2O.

метаалюминат натрия

3.Чтобы из NaAlO2 получить AlCl3, нужно прилить HCl (образуется 2 соли)

NaAlO2 + 4HCl →AlCl3 + NaCl + 2H2O.

←

4.При добавлении щелочи к соли алюминия образуется Аl(OH)3 AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3↓+ 3NaCl.

5.При термическом разложении Аl(OH)3 образуется Al2O3 2Al(OH)3 ¾¾t0® Al2O3 + 3H2O.

Задача 2. Определите объем водорода (н.у.), который образуется при растворении в избытке щелочи 200 г смеси алюминия и его оксида. Массовая доля оксида в смеси составляет 46 %.

Решение:

Водород образуется только при растворении алюминия в растворе щелочи, поэтому вначале найдем массу алюминия в смеси.

Если ωAl2O3 = 46 %, то ωAl = 54 % (100 % – 46 % = 54 %). Тогда масса Al:

mAl = ωAl ×mсмеси = 0,54×200 = 108 г.

Запишем уравнение реакции:

Составим пропорцию 54 г → 67,2 л;

108 г → х л. x = 108 × 67,2 = 134,4 л (H2).

54

Ответ: 134,4 л водорода.

91

Задача 3. Имеется смесь опилок алюминия, цинка и меди. Масса твердого остатка после обработки образца этой смеси массой 8 г избытком концентрированной азотной кислоты составила 1,52 г. Образец этой же смеси массой 3 г внесли в избыток концентрированного раствора щелочи, масса нерастворимого остатка составила 0,6 г. Определите массовые доли металлов в смеси.

Решение:

Из всей смеси металлов с концентрированной азотной кислотой не реагирует только алюминий (так как пассивируется), следовательно, масса алюминия составляет 1,52 г (mAl = 1,52 г).

В растворе щелочи не растворяется только медь (Al и Zn растворяются), следовательно, масса меди составляет 0,6 г.

Найдем массовые доли алюминия и меди соответственно:

ωAl = 1,528 ×100 = 19% ,

где 8 г – масса первой смеси;

ωCu = 0,63 ×100 = 20% ,

где 3 г – масса второй смеси.

Сложим массовые доли Al и Сu и вычтем из 100%. Получим массовую долю Zn:

ωZn = 100 % – (19 % + 20 %) = 61 %. Ответ. ωAl = 19 %; ωCu = 20 %; ωZn = 61 %.

ГЛАВА 2.7. ЖЕЛЕЗО И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ

Железо находится в побочной подгруппе VIII группы. Это d-элемент. Его электронная формула 4s23d6. Характерные степени окисления +2, +3, может проявлять +6.

Массовая доля железа в природе 5,1%. Железные руды: магнитный железняк (Fe3O4), красный железняк (Fe2O3), шпатовый железняк (FeCO3), пирит (FeS2).

92

Железо – серебристо-белый металл, на воздухе подвергается коррозии, покрываясь ржавчиной. Плотность 7,87 г/см3, tпл. = 1539°С. Существует в двух модификациях.

Получение

После очистки от примесей железную руду (а вернее оксиды железа) восстанавливают водородом:

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O.

Особо чистое железо получают карбонильным методом: Fe + 5CO → Fe(CO)5.

пентакарбонилжелезо

Fe(CO)5 при нагревании разлагается до чистого Fe, содержащего до 0,001 % примесей.

Fe(CO)5¾¾t0® Fe + 5CO.

Химические свойства

1.Взаимодействие с простыми веществами:

– с кислородом 3Fe + 2O2 ¾¾t® Fe3O4;

– с галогенами

2Fe + 3Cl2 ¾¾t® 2 FeCl3 (хлорид железа (III));

– с серой

Fe + S ¾¾t® FeS (сульфид железа (II));

– с углеродом

3Fe + C → Fe3C (карбид железа).

2.Взаимодействие со сложными веществами:

– с водой (при t = 700°C) 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2↑;

– с разбавленными HСl и H2SO4

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑;

– холодные концентрированные H2SO4 и HNO3 пассивируют железо;

93

– с разбавленной HNO3

Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O;

– с солями

Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu.

Соединения железа

Оксид железа (II) и гидроксид железа (II) –нерастворимые вещества, проявляют основные свойства, взаимодействуют с кислотами

Fe(OH)2 + H2SO4 → FeSO4 + 2H2O. Fe(OH)2 получают косвенным путем: FeSO4 + 2NaOH → Fe(OH)2↓ + Na2SO4.

Fe(OH)2 легко окисляется кислородом воздуха до Fe(OH)3: 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3.

Оксид железа (III) и гидроксид железа (III) – нерастворимые в воде соединения, проявляют слабо выраженные амфотерные свойства

Fe2O3 +6HCl → 2FeCl3 + 3H2O; Fe2O3 + 2KOH ¾¾t® 2KFeO2 + H2O;

расплав феррит калия Fe2O3 + Na2CO3 ¾¾t® 2NaFeO2 + CO2↑.

При нагревании гидроксид железа (III) разлагается: 2Fe(OH)3 ¾¾t0® Fe2O3 + 3H2O.

Fe3O4 – продукт взаимодействия FeO и Fe2O3 (FeO ×Fe2O3). При добавлении H2SO4 образует две соли Fe(II) и Fe(III) Fe3O4 + 4H2SO4 → FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O.

Cоли Fe(II) – бесцветны в водном растворе, проявляют восстановительные свойства:

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4→5Fe2(SO4)3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O.

Cоли Fe(III) – водные растворы имеют желтую окраску, сильно гидролизованы, проявляют окислительные свойства.

94

FeCl3 + 3NH4CNS → Fe(CNS)3 + 3NH4Cl роданид железа (III) кроваво-красный цвет

Применение

Сплавы железа с углеродом и другими веществами – чугун и стали – являются основными конструкционными материалами. Fe – катализатор в химической промышленности. FeS2 применяется в производстве серы и серной кислоты. Fe2O3 – в производстве красок, эмалей, керамики, цемента, термитных смесей, магнитных материалов. FeSO4 и FeSO4∙7H2O – электролит в гальванотехнике, ядохимикат. FeCl3 – протрава при крашении тканей.

Производство чугуна и стали

Чугун – сплав железа, содержащий углерод до 4,5 %, а также другие компоненты. Чугун выплавляют в доменных печах. На рис. 2.1 приводится схема данного процесса.

95

Рис. 2.1. Схема процесса выплавки чугуна в доменной печи

Сталь – ковкий сплав железа с углеродом (< 1,9 %). Получают из чугуна различными способами:

1)конверторный;

2)мартеновский;

3)электротермический.

Задача 1. Железную пластинку массой 20,4 г опустили в раствор сульфата меди (II). Какая масса железа перешла в раствор к моменту, когда масса пластинки стала равной 22,0 г?

Решение:

Запишем уравнение реакции

96

Обозначим массу растворившегося железа через х. Тогда масса выделившейся меди будет равна (х + 1,6) г, где 1,6 г разность между массой железной пластинки с выделившейся на ней медью и массой чистой железной пластинки:

22 – 20,4 = 1,6 г. Составим пропорцию: 56 г → 64 г; х г → х +1,6 г.

Отсюда 64х = 56х + 89,6 8х = 89,6 х = 11,2 г.

Ответ: Следовательно, в раствор перешла масса железа, равная 11,2 г.

Задача 2. Написать уравнения реакций, характеризующих ряд превращений:

1 2 3 4 5

Fe → FeSO4 → Fe(OH)2 → Fe(OH)3 → FeOHCl2 → FeCl3.

Решение:

1.Железо растворяется в разбавленной серной кислоте: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑.

2.Чтобы получить Fe(OH)2, добавим NaOH:

FeSO4 + 2NaOH → Fe(OH)2↓ + Na2SO4.

3. Fe(OH)2 под действием кислорода в присутствии воды легко окисляется до Fe(OH)3:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3.

97

4.При добавлении к Fe(OH)3 недостатка HCl, получим основную

соль:

Fe(OH)3 + 2НСl → FeOHCl2 + 2H2O. гидроксохлорид железа (III)

5.При добавлении соляной кислоты в достаточном количестве получим среднюю соль FeCl3:

FeOHCl2 + HCl → FeCl3 + H2O.

Задача 3. В результате реакции между железом массой 22,4 г и хлором объемом 15,68 л (н.у.) получили хлорид железа (III), который растворили в воде массой 500 г. Определите массовую долю FeCl3 в полученном растворе.

Решение:

Напишем уравнение реакции между железом и хлором:

Вычислим количество веществ железа и хлора: n (Fe) = Mm = 22,456 = 0,4 моль; n (Cl2) = 15,6822,4 = 0,7 моль.

Fe вступает в реакцию с хлором в соотношении 2:3 = 0,67. Следовательно, в данном случае:

Из соотношения видно, что масса железа взята в недостатке. Решаем задачу по недостатку вещества, вступающего в реакцию, т.е. по массе железа.

Составим пропорцию: 112 г Fe → 325 г FeCl3 22,4 г Fe → x г FeCl3

98

x = 22,4 ×325 = 65 г FeCl3 112

Найдем массу раствора после растворения FeCl3 в воде:

mр-ра = mFeCl3 + mH2O ;

mр-ра = 65 г +500 г = 565г .

Найдем массовую долю FeCl3:

Ответ: Массовая доля FeCl3 в растворе составляет 11,5 %.

Задача 4. В карбиде железа массовая доля углерода составляет 6,67 %. Определите формулу карбида железа.

Решение:

Примем массу карбида железа равной 100 г. Тогда масса углерода

будет равна ω × m = 0,0667 ×100 = 6,67 г.

Масса железа станет равной

mFe = 100 – mС = 100 – 6,67 = 93,33 г.

Найдем количества веществ атомарных железа и углерода

Найдем отношение количеств веществ n(С): n(Fe) = 0,56 :1,67.

Разделим правую часть на меньшее число, получим n(С): n(Fe) = 1:3.

Следовательно, простейшая формула карбида железа Fe3C.

Ответ: Fe3C.

Тренировочный тест Часть 1

1.Число протонов в ядре атома алюминия равно:

1)13;

2)14;

3)27;

99

4)3.

2.В соединениях для железа наиболее характерны степени окис-

ления:

1)+1;

2)+3;

3)-2;

4)+2.

3.Чугун – это сплав железа, который содержит:

1)меньше 1,9 % углерода;

2)марганец;

3)кремний;

4)больше 1,9 % углерода.

4.Для восстановления оксида железа (II) к расплавленной стали добавляют:

1)доломит;

2)известняк;

3)оксид кальция;

4)ферромарганец.

5.Гидроксид железа (II) можно получить взаимодействием:

1)оксида железа (II) и воды;

2)хлорида железа (II) и щелочи;

3)сульфата железа (III) и гидроксида натрия;

4)гидроксида железа (III) в контакте с влажным воздухом.

6.В наибольшей степени подвергается гидролизу соль алюминия:

1)Al2(SO4)3;

2)Al(NO3)3;

3)Al2S3;

4)AlCl3.

100