Решение: Реакции железа с хлором и серной кислотой

Ниже представлены решения заданий из учебника, оформленные для записи в тетрадь. Задание 1. Реакция с простым веществом (хлором): \[ 2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3 \] Электронный баланс: \[ Fe^0 - 3e^- \rightarrow Fe^{+3} \] (железо окисляется, является восстановителем) \[ Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^- \] (хлор восстанавливается, является окислителем) Реакция со сложным веществом (раствором серной кислоты): \[ Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow \] Электронный баланс: \[ Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{+2} \] (железо окисляется, является восстановителем) \[ 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0 \] (водород восстанавливается, является окислителем) Задание 2. Применение чистого железа ограничено, так как оно обладает низкой твердостью и прочностью по сравнению с его сплавами (чугуном и сталью). Кроме того, чистое железо быстро подвергается коррозии (ржавлению) на воздухе во влажной среде. В промышленности и технике гораздо эффективнее использовать сплавы, где добавки углерода и других элементов придают металлу необходимые эксплуатационные свойства. Задание 3. Дано: \( m_{руды} = 100 \) кг \( \omega_{прим.} = 10\% \) (или 0,1) \( \eta_{потерь} = 15\% \) (или 0,15) Найти: \( m_{практ.}(Fe) \) Решение: 1) Найдем массу чистого магнитного железняка в руде: \( \omega(Fe_3O_4) = 100\% - 10\% = 90\% \) (или 0,9) \( m(Fe_3O_4) = m_{руды} \cdot \omega(Fe_3O_4) = 100 \cdot 0,9 = 90 \) кг 2) Уравнение реакции восстановления: \[ Fe_3O_4 + 2C \rightarrow 3Fe + 2CO_2 \uparrow \] 3) Рассчитаем молярные массы: \( M(Fe_3O_4) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 232 \) г/моль \( M(Fe) = 56 \) г/моль 4) Найдем теоретическую массу железа: Из 232 кг \( Fe_3O_4 \) получается \( 3 \cdot 56 = 168 \) кг \( Fe \) Из 90 кг \( Fe_3O_4 \) получается \( x \) кг \( Fe \) \[ x = \frac{90 \cdot 168}{232} \approx 65,17 \] кг 5) Учтем производственные потери (выход продукта \( \eta = 100\% - 15\% = 85\% \) или 0,85): \( m_{практ.}(Fe) = 65,17 \cdot 0,85 \approx 55,4 \) кг Ответ: 55,4 кг. Задание 4. Дано: \( m(CuSO_4) = 16 \) г \( m(Fe) = 4,8 \) г Найти: массы образовавшихся веществ. Решение: 1) Уравнение реакции: \[ Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu \] 2) Найдем количество вещества реагентов: \( M(CuSO_4) = 64 + 32 + 4 \cdot 16 = 160 \) г/моль \( n(CuSO_4) = \frac{16}{160} = 0,1 \) моль \( M(Fe) = 56 \) г/моль \( n(Fe) = \frac{4,8}{56} \approx 0,086 \) моль 3) Определим избыток/недостаток: По уравнению \( n(Fe) : n(CuSO_4) = 1 : 1 \). Так как \( 0,086 < 0,1 \), железо находится в недостатке. Расчет ведем по железу. 4) Найдем массы продуктов: \( n(FeSO_4) = n(Fe) = 0,086 \) моль \( M(FeSO_4) = 56 + 32 + 64 = 152 \) г/моль \( m(FeSO_4) = 0,086 \cdot 152 \approx 13,07 \) г \( n(Cu) = n(Fe) = 0,086 \) моль \( M(Cu) = 64 \) г/моль \( m(Cu) = 0,086 \cdot 64 \approx 5,5 \) г Ответ: образовались сульфат железа(II) массой 13,07 г и медь массой 5,5 г. Тестовые задания. 1. Восстановительные свойства железо проявляет в реакции: Правильный ответ: 2) \( 2FeCl_2 + Cl_2 = 2FeCl_3 \) Пояснение: В этой реакции степень окисления железа повышается с +2 до +3, что означает отдачу электронов (процесс окисления), следовательно, железо в составе хлорида является восстановителем. В остальных реакциях либо степени окисления не меняются, либо железо входит в состав соединений в качестве окисленной формы.