Номер 807, страница 146 - гдз по химии 8 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

807. Чистый цинк представляет собой голубовато-белый, блестящий металл, температуры плавления и кипения которого соответственно равны $419°C$ и $908°C$. Мировое производство цинка составляет более 10 млн тонн. Он занимает четвёртое место по объёмам промышленного использования после железа, алюминия и меди. Основным минералом цинка является сфалерит, или цинковая обманка $ZnS$. Первой стадией получения цинка в промышленности является обогащение руды, содержащей цинковую обманку. В результате обогащения получается концентрат, содержащий в среднем 50 % цинка по массе, а также серу, железо и оксид кремния(IV). Второй стадией является обжиг концентрата в обогащённом кислородом воздухе, в результате чего образуются оксиды цинка и серы. На третьей стадии полученный после обжига продукт прокаливают при $950°C$ с коксом и получают черновой цинк, содержащий 98,7 % основного вещества.

а) Приведите уравнения химических реакций, лежащих в основе промышленного процесса получения цинка.

б) Чему равна массовая доля цинковой обманки в концентрате, образующемся после обогащения руды?

в) Рассчитайте массу концентрата, необходимого для получения 1,00 т чернового цинка, если практический выход на стадии обжига равен 97 %, а на стадии восстановления — 95 %.

г) Поясните, как выделяют черновой цинк из реакционной смеси на последней стадии процесса.

а) Приведите уравнения химических реакций, лежащих в основе промышленного процесса получения цинка.

Промышленное получение цинка из сульфидной руды (сфалерита, $ZnS$) включает две основные химические стадии:

1. Обжиг цинкового концентрата. На этой стадии сульфид цинка окисляется кислородом воздуха до оксида цинка. Также образуется диоксид серы:

$2ZnS + 3O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2$

2. Восстановление оксида цинка. Полученный оксид цинка восстанавливают углем (коксом) при высокой температуре (около 950 °C) до металлического цинка:

$ZnO + C \rightarrow Zn + CO$

Ответ: $2ZnS + 3O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2$; $ZnO + C \rightarrow Zn + CO$.

б) Чему равна массовая доля цинковой обманки в концентрате, образующемся после обогащения руды?

В условии сказано, что концентрат содержит 50% цинка по массе. Весь цинк в концентрате находится в составе цинковой обманки ($ZnS$). Массовую долю ($ \omega $) $ZnS$ в концентрате можно рассчитать, зная массовую долю цинка и соотношение их молярных масс. Молярные массы: $M(Zn) \approx 65,4$ г/моль, $M(S) \approx 32,1$ г/моль, следовательно $M(ZnS) \approx 97,5$ г/моль. Массовая доля цинка в чистом $ZnS$ составляет:

$\omega(Zn \text{ в } ZnS) = \frac{M(Zn)}{M(ZnS)} = \frac{65,4}{97,5} \approx 0,671$

Массовая доля цинка в концентрате ($\omega(Zn)_{\text{конц}}$) связана с массовой долей $ZnS$ в концентрате ($\omega(ZnS)_{\text{конц}}$) следующим соотношением: $\omega(Zn)_{\text{конц}} = \omega(ZnS)_{\text{конц}} \cdot \omega(Zn \text{ в } ZnS)$. Отсюда можем выразить искомую величину:

$\omega(ZnS)_{\text{конц}} = \frac{\omega(Zn)_{\text{конц}}}{\omega(Zn \text{ в } ZnS)} = \frac{0,50}{0,671} \approx 0,745$ или 74,5 %.

Ответ: Массовая доля цинковой обманки в концентрате равна 74,5 %.

в) Рассчитайте массу концентрата, необходимого для получения 1,00 т чернового цинка, если практический выход на стадии обжига равен 97 %, а на стадии восстановления — 95 %.

Дано:
$m(черновой \ Zn) = 1,00 \text{ т}$
$\omega(Zn \text{ в черновом}) = 98,7 \% = 0,987$
$\eta_1 (обжиг) = 97 \% = 0,97$
$\eta_2 (восстановление) = 95 \% = 0,95$
$\omega(Zn \text{ в концентрате}) = 50 \% = 0,50$

$m(черновой \ Zn) = 1,00 \text{ т} = 1000 \text{ кг}$

Найти:
$m(концентрат) - ?$

Решение:

1. Сначала найдем массу чистого цинка в 1,00 т чернового цинка. Эта масса является практическим выходом всего процесса.

$m_{практ}(Zn) = m(черновой \ Zn) \cdot \omega(Zn \text{ в черновом}) = 1000 \text{ кг} \cdot 0,987 = 987 \text{ кг}$

2. Общий выход цинка по двум стадиям ($\eta_{общ}$) равен произведению выходов на каждой стадии:

$\eta_{общ} = \eta_1 \cdot \eta_2 = 0,97 \cdot 0,95 = 0,9215$

3. Рассчитаем теоретически необходимую массу цинка, которая должна была содержаться в исходном сырье (концентрате), чтобы с учетом потерь получить 987 кг чистого продукта.

$m_{теор}(Zn \text{ в концентрате}) = \frac{m_{практ}(Zn)}{\eta_{общ}} = \frac{987 \text{ кг}}{0,9215} \approx 1071,08 \text{ кг}$

4. Эта масса цинка ($1071,08 \text{ кг}$) составляет 50 % от общей массы концентрата. Найдем массу всего концентрата.

$m(концентрат) = \frac{m_{теор}(Zn \text{ в концентрате})}{\omega(Zn \text{ в концентрате})} = \frac{1071,08 \text{ кг}}{0,50} = 2142,16 \text{ кг}$

Переведем массу в тонны: $2142,16 \text{ кг} \approx 2,14 \text{ т}$.

Ответ: Для получения 1,00 т чернового цинка необходимо около 2,14 т концентрата.

г) Поясните, как выделяют черновой цинк из реакционной смеси на последней стадии процесса.

Последняя стадия процесса — восстановление оксида цинка коксом — проводится при температуре 950 °C. В условии указано, что температура кипения чистого цинка равна 908 °C.

Поскольку температура процесса ($950^\circ C$) выше температуры кипения цинка ($908^\circ C$), образующийся в ходе реакции $ZnO + C \rightarrow Zn + CO$ металлический цинк находится в газообразном состоянии (в виде паров).

Таким образом, реакционная смесь на выходе из печи состоит из твердых компонентов (непрореагировавший кокс, зола, примеси) и газовой фазы (пары цинка $Zn$ и угарный газ $CO$). Для выделения цинка эту газовую смесь отводят из реакционной зоны и охлаждают. При охлаждении ниже 908 °C пары цинка конденсируются, переходя в жидкое состояние, в то время как угарный газ остается газом и удаляется. Жидкий цинк собирают в специальные формы. Этот метод разделения, основанный на разнице температур кипения, по сути является дистилляцией.

Ответ: Черновой цинк выделяют из реакционной смеси методом конденсации. Так как процесс восстановления идет при температуре выше температуры кипения цинка, он образуется в виде пара. Парогазовую смесь ($Zn + CO$) отводят из печи и охлаждают, в результате чего цинк конденсируется в жидкость, а угарный газ удаляется.