Комплексное задание, страница 281 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

Комплексное задание

Внимательно прочитайте текст и выполните приведенные ниже задания

Железо — один из металлов древности. С железом метеоритного происхождения человек, вероятно, познакомился раньше, чем с другими металлами. Изделия из метеоритного железа найдены в захоронениях, относящихся к IV–V тысячелетию до н. э. Метеоритное железо, в отличие от земного, почти всегда содержит от 5 до 30 % никеля.

С древнейших времен железо получали из руд, залегающих почти повсеместно, — гематита, бурого железняка и его разновидностей, магнетита и некоторых других. Вплоть до конца XIX в. на территории современной Беларуси железо добывали из болотной руды, которая представляет собой разновидность бурого железняка. Он естественным образом отлагается на корнях болотных растений и внешне напоминает рыхлые комки земли бурого цвета. Считается, что соединения железа образуются на корнях болотной растительности благодаря жизнедеятельности особых микроорганизмов.

Болотную руду заготавливали в конце весны и летом, а осенью сушили, обжигая на кострах. Затем в простейших каменных или глиняных печах руду сильно нагревали вперемешку с каменным углем. Мастера, выплавлявшие железо из болотной руды, знали, что выход железа увеличивается при поддуве воздуха в печь. Этот факт используют на практике и современные металлурги, с силой нагнетая воздух в доменные печи с раскаленной шихтой. Дело в том, что кислород, содержащийся в воздухе, окисляет углерод до углекислого газа. Проходя через слой раскаленного угля, он превращается в угарный газ, который и восстанавливает железо из его оксида.

Металл, выплавлявшийся из болотной руды, представлял собой крицу — рыхлую железную массу, которую затем проковывали молотом при температуре $700\text{–}800°C$, удаляя посторонние примеси и уплотняя полученный металл.

С развитием металлургии мелкие печи, в которых плавились бурые железняки на древесном угле, сменились домнами, выплавляющими чугун из разнообразных железных руд на каменноугольном коксе. Особенно большое развитие черная металлургия получила в ХХ в., когда для изготовления специальных сталей начали широко использовать легирующие добавки.

1. Химическим элементом какой группы и какого периода является железо?

2. Запишите формулы, отражающие химический состав упомянутых в тексте железосодержащих руд.

3. Составьте уравнения реакций, лежащих в основе выплавки железа из руды.

4. Как получают железо в условиях современных технологий? Чем отличаются процессы получения чугуна и стали?

5. Что представляют собой легированные стали?

6. В одном из старинных руководств по выплавке железа из болотной руды, изданном во второй половине XIX в., приводится описание этого процесса. В нем говорится, что из руды массой 30 пудов была выплавлена крица массой 3,5 пуда, из которой после проковки было получено железо массой 3,2 пуда. Зная, что в использованной болотной руде массовые доли бурого железняка и магнетита составляли примерно $12\;\%$ и $8\;\%$, рассчитайте общий практический выход железа, получавшегося из болотной руды. Считая, что основными компонентами крицы являлись железо и углерод, определите массовую долю железа в крице.

7. Что представляют собой термитная смесь и термитное железо?

8. Составьте перечень основных свойств метеоритного железа, характеризующих его с точки зрения первобытной металлургии.

9. Придумайте игру для учащихся начальной школы, с помощью которой можно было бы объяснить им роль железа в окружающем мире.

1. Химическим элементом какой группы и какого периода является железо?

Железо (химический символ Fe, от латинского Ferrum) — это химический элемент 8-й группы (или VIIIB по устаревшей классификации), четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 26. Является переходным металлом.

Ответ: Железо является элементом 8-й группы, 4-го периода.

2. Запишите формулы, отражающие химический состав упомянутых в тексте железосодержащих руд.

В тексте упомянуты следующие железосодержащие руды, основной компонент которых можно представить формулами:

• Гематит (красный железняк): $Fe_2O_3$
• Бурый железняк (в его состав входят гидроксиды железа(III)): основная составляющая — гётит $FeO(OH)$ или в виде общей формулы $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$
• Магнетит (магнитный железняк): $Fe_3O_4$ (или $FeO \cdot Fe_2O_3$)

Ответ: Гематит — $Fe_2O_3$; бурый железняк — $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$; магнетит — $Fe_3O_4$.

3. Составьте уравнения реакций, лежащих в основе выплавки железа из руды.

Процесс выплавки железа из руды (например, из гематита $Fe_2O_3$) в доменной печи, описанный в тексте, включает несколько ключевых химических реакций:

1. Сгорание углерода (кокса) в потоке горячего воздуха с образованием углекислого газа:
   $C + O_2 \rightarrow CO_2$
2. Восстановление углекислого газа раскаленным коксом до угарного газа (монооксида углерода), который является основным восстановителем:
   $CO_2 + C \rightarrow 2CO$
3. Восстановление железа из оксида угарным газом:
   $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

Ответ: $C + O_2 \rightarrow CO_2$; $CO_2 + C \rightarrow 2CO$; $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$.

4. Как получают железо в условиях современных технологий? Чем отличаются процессы получения чугуна и стали?

В современных условиях основным способом получения железа является доменный процесс. В доменную печь загружают шихту — смесь железной руды (в виде агломерата или окатышей), кокса и флюсов (например, известняка). Через эту смесь продувают горячий воздух, обогащенный кислородом. В результате сложных химических процессов, аналогичных описанным в вопросе 3, оксиды железа восстанавливаются до металла, который насыщается углеродом. Продуктом доменной плавки является чугун.

Процессы получения чугуна и стали принципиально отличаются:

• Получение чугуна — это восстановительный процесс, в ходе которого железо извлекается (восстанавливается) из руды. Полученный продукт, чугун, содержит много углерода (более 2,14 %) и других примесей (кремний, марганец, фосфор, сера), что делает его хрупким.
• Получение стали — это окислительный процесс передела чугуна. Его цель — уменьшить содержание углерода до менее 2,14 % и удалить вредные примеси. Это достигается путем продувки жидкого чугуна кислородом в специальных агрегатах (конвертерах) или в электродуговых печах. Примеси окисляются, переходя в газообразное состояние или в шлак. Для получения стали с заданными свойствами в конце плавки в нее вводят легирующие элементы.

Ответ: В современных технологиях железо получают в виде чугуна в доменных печах. Отличие процессов заключается в том, что получение чугуна — это восстановление железа из руды, а получение стали — это окислительный передел чугуна с целью снижения содержания углерода и примесей.

5. Что представляют собой легированные стали?

Легированные стали — это стали, в которые для придания им определенных физических, химических или механических свойств вводят специальные добавки — легирующие элементы. В качестве таких элементов могут выступать хром (Cr), никель (Ni), марганец (Mn), кремний (Si), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V) и другие. Например, добавление хрома повышает коррозионную стойкость (нержавеющие стали), а вольфрама и молибдена — жаропрочность и твердость (инструментальные стали).

Ответ: Легированные стали — это сплавы железа с углеродом, содержащие специально введенные легирующие элементы для улучшения их свойств.

6. В одном из старинных руководств по выплавке железа из болотной руды...

Дано:

$m_{руды} = 30$ пудов
$m_{крицы} = 3,5$ пуда
$m_{Fe(практ.)} = 3,2$ пуда
$\omega(бурый \ железняк \ в \ руде) = 12 \% = 0.12$
$\omega(магнетит \ в \ руде) = 8 \% = 0.08$
Состав крицы: Fe и C.

Перевод в СИ (1 пуд ≈ 16,38 кг):
$m_{руды} = 30 \cdot 16.38 = 491.4 \text{ кг}$
$m_{крицы} = 3.5 \cdot 16.38 = 57.33 \text{ кг}$
$m_{Fe(практ.)} = 3.2 \cdot 16.38 = 52.416 \text{ кг}$

Найти:

1. $\eta_{практ.} (Fe)$ — ?
2. $\omega(Fe \ в \ крице)$ — ?

Решение:

1. Расчет общего практического выхода железа.
Практический выход ($\eta_{практ.}$) рассчитывается как отношение практически полученной массы вещества к теоретически возможной массе:
$\eta_{практ.} = \frac{m_{Fe(практ.)}}{m_{Fe(теор.)}} \cdot 100\%$

Найдем теоретическую массу железа ($m_{Fe(теор.)}$), которую можно было получить из 30 пудов руды. Будем считать, что под бурым железняком подразумевается оксид железа(III) $Fe_2O_3$, а под магнетитом — $Fe_3O_4$.

Масса $Fe_2O_3$ в руде: $m(Fe_2O_3) = m_{руды} \cdot \omega(бурый \ железняк) = 30 \cdot 0.12 = 3.6$ пуда.
Масса $Fe_3O_4$ в руде: $m(Fe_3O_4) = m_{руды} \cdot \omega(магнетит) = 30 \cdot 0.08 = 2.4$ пуда.

Молярные массы: $M(Fe) \approx 56$ г/моль, $M(O) \approx 16$ г/моль.
$M(Fe_2O_3) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 160$ г/моль.
$M(Fe_3O_4) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 232$ г/моль.

Массовая доля железа в оксидах:
$\omega(Fe \ в \ Fe_2O_3) = \frac{2 \cdot M(Fe)}{M(Fe_2O_3)} = \frac{2 \cdot 56}{160} = 0.7$
$\omega(Fe \ в \ Fe_3O_4) = \frac{3 \cdot M(Fe)}{M(Fe_3O_4)} = \frac{3 \cdot 56}{232} \approx 0.724$

Масса железа, содержащегося в каждом минерале в руде:
$m_{Fe}(из \ Fe_2O_3) = m(Fe_2O_3) \cdot \omega(Fe \ в \ Fe_2O_3) = 3.6 \cdot 0.7 = 2.52$ пуда.
$m_{Fe}(из \ Fe_3O_4) = m(Fe_3O_4) \cdot \omega(Fe \ в \ Fe_3O_4) = 2.4 \cdot 0.724 \approx 1.738$ пуда.

Теоретически возможная масса железа:
$m_{Fe(теор.)} = m_{Fe}(из \ Fe_2O_3) + m_{Fe}(из \ Fe_3O_4) = 2.52 + 1.738 = 4.258$ пуда.

Общий практический выход железа:
$\eta_{практ.} (Fe) = \frac{3.2}{4.258} \cdot 100\% \approx 75.15\%$

2. Определение массовой доли железа в крице.
По условию, крица массой 3,5 пуда состоит в основном из железа и углерода. После проковки из нее было получено 3,2 пуда железа. Это означает, что масса железа в крице составляла 3,2 пуда.

Массовая доля железа в крице ($\omega(Fe \ в \ крице)$) равна отношению массы железа в ней к общей массе крицы:
$\omega(Fe \ в \ крице) = \frac{m_{Fe(практ.)}}{m_{крицы}} \cdot 100\% = \frac{3.2}{3.5} \cdot 100\% \approx 91.43\%$

Ответ: Общий практический выход железа составляет примерно 75,2 %. Массовая доля железа в крице составляет примерно 91,4 %.

7. Что представляют собой термитная смесь и термитное железо?

Термитная смесь (термит) — это порошкообразная смесь алюминия (реже магния) с оксидом металла (чаще всего с оксидом железа $Fe_2O_3$ или $Fe_3O_4$). При поджигании этой смеси протекает экзотермическая алюмотермическая реакция, в ходе которой алюминий восстанавливает металл из оксида с выделением огромного количества тепла, разогревая продукты реакции до 2500-3000 °C.
Уравнение реакции для железного термита: $2Al + Fe_2O_3 \rightarrow Al_2O_3 + 2Fe$

Термитное железо — это чистое, расплавленное железо, которое является одним из продуктов горения термитной смеси. Благодаря высокой температуре оно находится в жидком состоянии и используется для сварки массивных стальных и чугунных деталей, например, рельсов, валов, рам.

Ответ: Термитная смесь — это смесь порошка алюминия и оксида железа, а термитное железо — расплавленное железо, образующееся в результате горения этой смеси.

8. Составьте перечень основных свойств метеоритного железа, характеризующих его с точки зрения первобытной металлургии.

С точки зрения первобытной металлургии метеоритное железо обладало следующими ключевыми свойствами:

• Самородное состояние: В отличие от руд, метеоритное железо встречается в виде готового металла. Это устраняло необходимость в самом сложном технологическом этапе — выплавке (восстановлении) металла из руды, для которого требовались высокие температуры и специальные печи.
• Ковкость: Будучи металлом, метеоритное железо поддавалось обработке давлением — ковке. Его можно было нагревать в обычном костре и придавать нужную форму ударами молота, создавая орудия труда, оружие или украшения.
• Природное легирование никелем: Как указано в тексте, метеоритное железо содержит от 5 до 30 % никеля. Никель придает железу повышенную прочность, вязкость и устойчивость к коррозии. Таким образом, изделия из метеоритного железа были значительно качественнее и долговечнее, чем изделия из чистого железа, полученного позже из руд.
• Редкость и ценность: Метеориты падали на Землю нечасто, поэтому найденный металл был чрезвычайно редок и ценен, что, вероятно, делало его атрибутом власти и высокого социального статуса.

Ответ: Основные свойства: самородное состояние (не требует выплавки), ковкость, повышенная прочность и коррозионная стойкость из-за высокого содержания никеля, редкость.

9. Придумайте игру для учащихся начальной школы, с помощью которой можно было бы объяснить им роль железа в окружающем мире.

Название игры: «Железный детектив».

Цель: Показать детям, как много железных предметов нас окружает и насколько важна роль железа в нашей жизни.

Реквизит: Небольшой магнит на веревочке для каждого «детектива», карточки с изображениями различных предметов (например: яблоко, скрепка, деревянный стул, автомобиль, мост, кровь под микроскопом).

Ход игры:
1. Введение: Учитель говорит: «Ребята, сегодня мы станем детективами и отправимся на поиски супергероя по имени Железо! Он очень сильный, умеет притягиваться к магнитам и прячется повсюду: в наших домах, на улице и даже внутри нас! Наше секретное оружие для поисков — вот этот магнит».

2. Этап 1: «Найди в классе». Дети ходят по классу и с помощью магнитов ищут предметы, к которым он «прилипнет». Это могут быть ножки парт, батарея отопления, скрепки, ножницы. За каждый найденный предмет команда или ученик получает очко.

3. Этап 2: «Спрятанный герой». Учитель показывает карточки с изображениями и задает вопросы.

• Карточка «Автомобиль»: «Как вы думаете, где здесь спряталось железо?». (Дети отвечают: кузов, мотор). Учитель: «Правильно, без прочного железа машина бы развалилась!»
• Карточка «Железобетонный дом»: «А здесь где железо?». Учитель объясняет, что внутри бетонных стен есть железный каркас (арматура), который делает дом очень крепким.
• Карточка «Яблоко» и «Кровь»: «А здесь есть железо?». Учитель рассказывает, что железо — это важный витамин. Оно есть в яблоках, гречке, мясе. А в нашей крови железо помогает разносить кислород по всему телу, чтобы у нас были силы бегать и учиться.

4. Подведение итогов: Дети делятся своими находками. Учитель обобщает: «Смотрите, как много работы у нашего супергероя Железа! Он помогает нам строить дома и машины, делать удобные вещи и даже быть здоровыми. Железо — наш настоящий друг!».

Ответ: Игра «Железный детектив», в ходе которой дети с помощью магнита ищут железные предметы в классе, а затем по карточкам угадывают, где «спряталось» железо в больших объектах (машина, дом) и даже в еде и организме человека, что объясняет его многогранную роль в мире.