Номер 839, страница 146 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

839. Приведите уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения и укажите условия их проведения: $MgO \rightarrow MgCl_2 \rightarrow Mg(NO_3)_2 \rightarrow MgO \rightarrow Mg(OH)_2 \rightarrow MgO \rightarrow Mg$.

Магний какой массой получится в результате указанных превращений, если масса исходной навески оксида магния равна $10,0$ г, а потери на каждой стадии составляют $1,12$ %?

Для осуществления данной цепи превращений необходимо провести следующие химические реакции:

1. $MgO \rightarrow MgCl_2$

Реакция основного оксида магния с соляной кислотой с образованием соли и воды.

$MgO + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2O$

Условия: реакция протекает в водном растворе, для ускорения можно незначительно нагреть.

2. $MgCl_2 \rightarrow Mg(NO_3)_2$

Реакция ионного обмена между растворимой солью хлоридом магния и нитратом серебра, в результате которой выпадает нерастворимый осадок хлорида серебра.

$MgCl_2 + 2AgNO_3 \rightarrow Mg(NO_3)_2 + 2AgCl\downarrow$

Условия: реакция проводится в водном растворе, после чего нерастворимый осадок $AgCl$ отделяется фильтрованием.

3. $Mg(NO_3)_2 \rightarrow MgO$

Термическое разложение нитрата магния при сильном нагревании на оксид магния, оксид азота(IV) и кислород.

$2Mg(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$

Условия: сильное нагревание (прокаливание) твердой соли.

4. $MgO \rightarrow Mg(OH)_2$

Гидратация оксида магния. Реакция с водой с образованием малорастворимого гидроксида магния.

$MgO + H_2O \xrightarrow{t^\circ} Mg(OH)_2\downarrow$

Условия: реакция протекает медленно, так как оксид магния малоактивен. Для ускорения и увеличения полноты реакции суспензию кипятят.

5. $Mg(OH)_2 \rightarrow MgO$

Термическое разложение гидроксида магния с образованием оксида магния и воды.

$Mg(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} MgO + H_2O\uparrow$

Условия: нагревание твердого гидроксида при температуре свыше 350 °C.

6. $MgO \rightarrow Mg$

Восстановление металлического магния из его оксида. Один из промышленных способов — электролиз расплава.

$2MgO \xrightarrow{электролиз} 2Mg + O_2\uparrow$

Условия: электролиз расплава $MgO$. Так как температура плавления оксида магния очень высока (2852 °C), процесс проводят в присутствии специальных добавок-флюсов (например, $CaF_2, MgF_2$), которые образуют с оксидом магния эвтектическую смесь с более низкой температурой плавления.

Расчет массы магния, который получится в результате указанных превращений.

Дано:

Масса исходной навески оксида магния $m(MgO)_{исх} = 10,0$ г

Потери на каждой стадии $\omega_{потерь} = 1,12 \%$

Число стадий $N = 6$

Найти:

Масса полученного магния $m(Mg)_{практ}$

Решение:

1. Определим молярные массы оксида магния ($MgO$) и магния ($Mg$), используя точные значения атомных масс: $Ar(Mg) = 24,305$ г/моль; $Ar(O) = 15,999$ г/моль.

$M(MgO) = 24,305 + 15,999 = 40,304$ г/моль.

$M(Mg) = 24,305$ г/моль.

2. Стехиометрия процесса. Во всех реакциях данной цепочки превращений из 1 моля магнийсодержащего реагента образуется 1 моль магнийсодержащего продукта. Следовательно, из 1 моль исходного $MgO$ теоретически должен получиться 1 моль конечного $Mg$. Это позволяет вести расчет по всей цепочке в целом.

3. Найдем количество вещества в исходной навеске оксида магния:

$n(MgO)_{исх} = \frac{m(MgO)_{исх}}{M(MgO)} = \frac{10,0 \text{ г}}{40,304 \text{ г/моль}} \approx 0,248114 \text{ моль}$

4. Теоретическая масса магния, которая могла бы быть получена при 100% выходе на всех стадиях, равна:

$m(Mg)_{теор} = n(MgO)_{исх} \times M(Mg) = 0,248114 \text{ моль} \times 24,305 \text{ г/моль} \approx 6,0304 \text{ г}$

5. Потери на каждой стадии составляют 1,12 %. Это означает, что практический выход продукта ($\eta$) на каждой отдельной стадии составляет:

$\eta_{стадии} = 100\% - 1,12\% = 98,88\% = 0,9888$

6. Поскольку процесс состоит из шести последовательных стадий, общий практический выход ($\eta_{общ}$) равен произведению выходов на каждой стадии:

$\eta_{общ} = (\eta_{стадии})^N = (0,9888)^6 \approx 0,934882$

7. Практическая масса магния $m(Mg)_{практ}$ вычисляется как произведение теоретической массы на общий выход:

$m(Mg)_{практ} = m(Mg)_{теор} \times \eta_{общ} \approx 6,0304 \text{ г} \times 0,934882 \approx 5,6374 \text{ г}$

8. Округляем полученный результат до трех значащих цифр, так как исходная масса (10,0 г) задана с такой точностью.

$m(Mg)_{практ} \approx 5,64 \text{ г}$

Ответ: В результате указанных превращений, с учетом потерь на каждой стадии, получится магний массой 5,64 г.