Номер 864, страница 153 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

864. При упаривании раствора, полученного растворением неизвестного металла в разбавленной серной кислоте, выпадает кристаллический осадок, массовая доля металла в котором составляет 22,74 %.

а) Установите формулу этого осадка. Какое тривиальное название имеет это вещество?

б) С какими из следующих веществ реагирует этот металл — соляная кислота, разбавленная азотная кислота, раствор KOH, раствор аммиака, вода? Приведите уравнения соответствующих реакций и укажите условия их протекания.

в) В промышленных условиях этот металл получают из минерала, представляющего собой его сульфид. Приведите уравнения реакций, лежащих в основе промышленного способа получения этого металла.

Дано:

Раствор получен растворением неизвестного металла в разбавленной серной кислоте ($H_2SO_4$).

При упаривании раствора выпадает кристаллический осадок, являющийся кристаллогидратом.

Массовая доля металла $\omega(Me)$ в осадке составляет 22,74 % или 0,2274.

Найти:

а) Химическую формулу осадка и его тривиальное название.

б) Вещества, с которыми реагирует данный металл, и уравнения соответствующих реакций.

в) Уравнения реакций, лежащих в основе промышленного способа получения этого металла из его сульфида.

Решение:

а) Установите формулу этого осадка. Какое тривиальное название имеет это вещество?

При реакции металла (Me) с разбавленной серной кислотой образуется сульфат металла. Поскольку при выпаривании образуется кристаллический осадок, речь идет о кристаллогидрате. Общая формула такого соединения — $Me_x(SO_4)_y \cdot nH_2O$.

Предположим, что металл двухвалентен, как многие металлы, реагирующие с разбавленной $H_2SO_4$ (например, Fe, Zn, Mg). Тогда формула его сульфата — $MeSO_4$, а кристаллогидрата — $MeSO_4 \cdot nH_2O$.

Массовая доля металла в этом соединении выражается формулой: $\omega(Me) = \frac{A_r(Me)}{A_r(Me) + M_r(SO_4) + n \cdot M_r(H_2O)} = 0,2274$ где $A_r(Me)$ — атомная масса металла, $M_r(SO_4) \approx 96$, $M_r(H_2O) \approx 18$.

Выразим атомную массу металла $A_r(Me)$: $0,2274 = \frac{A_r(Me)}{A_r(Me) + 96 + 18n}$

$0,2274 \cdot (A_r(Me) + 96 + 18n) = A_r(Me)$

$0,2274 \cdot A_r(Me) + 21,83 + 4,093n = A_r(Me)$

$A_r(Me) \cdot (1 - 0,2274) = 21,83 + 4,093n$

$0,7726 \cdot A_r(Me) = 21,83 + 4,093n$

$A_r(Me) = \frac{21,83 + 4,093n}{0,7726} \approx 28,26 + 5,30n$

Проверим целые значения $n$ (число молекул воды). Наиболее распространенные кристаллогидраты сульфатов содержат 5 или 7 молекул воды. При $n = 7$, $A_r(Me) \approx 28,26 + 5,30 \cdot 7 = 65,36$. Это значение практически совпадает с атомной массой цинка (Zn), которая равна 65,38.

Проверим наше предположение. Формула кристаллогидрата — $ZnSO_4 \cdot 7H_2O$. Его молярная масса: $M(ZnSO_4 \cdot 7H_2O) = 65,38 + 32,07 + 4 \cdot 16,00 + 7 \cdot (2 \cdot 1,01 + 16,00) = 287,56$ г/моль. Массовая доля цинка: $\omega(Zn) = \frac{65,38}{287,56} = 0,22737 \approx 22,74\%$. Полученное значение совпадает с условием задачи. Следовательно, неизвестный металл — цинк.

Ответ: Формула осадка — $ZnSO_4 \cdot 7H_2O$. Тривиальное название — цинковый купорос.

б) С какими из следующих веществ реагирует этот металл — соляная кислота, разбавленная азотная кислота, раствор KOH, раствор аммиака, вода? Приведите уравнения соответствующих реакций и укажите условия их протекания.

Найденный металл — цинк (Zn). Цинк — амфотерный металл, стоящий в ряду активности до водорода. Он реагирует со всеми перечисленными веществами при определенных условиях.

1. Соляная кислота ($HCl$): Цинк вытесняет водород из соляной кислоты.

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$

Условия: реакция протекает при комнатной температуре.

2. Разбавленная азотная кислота ($HNO_3$): Цинк реагирует с разбавленной азотной кислотой, при этом водород не выделяется. Продуктом восстановления азота может быть $N_2O$, $N_2$ или $NH_4NO_3$ в зависимости от концентрации кислоты. Для очень разбавленной кислоты:

$4Zn + 10HNO_3(\text{оч. разб.}) \rightarrow 4Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3H_2O$

Условия: очень разбавленная кислота, охлаждение.

3. Раствор KOH: Как амфотерный металл, цинк растворяется в растворах щелочей с образованием гидроксокомплексов и выделением водорода.

$Zn + 2KOH + 2H_2O \xrightarrow{t} K_2[Zn(OH)_4] + H_2\uparrow$

Условия: реакция ускоряется при нагревании. Образуется тетрагидроксоцинкат(II) калия.

4. Раствор аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$): Чистый цинк не реагирует с водным раствором аммиака. Однако реакция идет в присутствии кислорода воздуха, так как цинк образует устойчивый аммиачный комплекс.

$2Zn + 8(NH_3 \cdot H_2O) + O_2 \rightarrow 2[Zn(NH_3)_4](OH)_2 + 6H_2O$

Условия: наличие окислителя (кислорода воздуха).

5. Вода ($H_2O$): Цинк покрыт прочной оксидной пленкой, поэтому не реагирует с холодной водой. Реакция возможна с горячей водой (паром).

$Zn + H_2O(\text{пар}) \xrightarrow{>600^{\circ}C} ZnO + H_2\uparrow$

Условия: высокая температура.

Ответ: Цинк реагирует со всеми перечисленными веществами при определенных условиях. Уравнения реакций и их условия приведены выше.

в) В промышленных условиях этот металл получают из минерала, представляющего собой его сульфид. Приведите уравнения реакций, лежащих в основе промышленного способа получения этого металла.

Основной минерал для получения цинка — сфалерит (цинковая обманка), его формула $ZnS$. Классический пирометаллургический способ получения цинка включает две стадии.

1. Обжиг сульфидной руды: Цинковый концентрат обжигают в печах в потоке воздуха, чтобы перевести сульфид в оксид. $2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t \approx 900-1000^{\circ}C} 2ZnO + 2SO_2\uparrow$

2. Восстановление оксида цинка: Оксид цинка восстанавливают углем (коксом) при высокой температуре. Поскольку температура процесса (1200 °C) выше температуры кипения цинка (907 °C), цинк образуется в виде пара, который затем конденсируют. $ZnO + C \xrightarrow{t \approx 1200^{\circ}C} Zn(\text{газ}) + CO\uparrow$

Ответ: Основные реакции пирометаллургического способа получения цинка:

1. Обжиг: $2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2$

2. Восстановление: $ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO$