Контрольные задания по химии (стр. 2 )

а) реакцией разложения карбоната;

б) реакцией окисления металла.

Какой из данных процессов используется в технике для производства воздушной извести?

28. Составьте два уравнения соединения оксидов с водой, приводящих к образованию щелочей (растворимых в воде оснований). Укажите названия всех соединений.

29. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения:

Fe → FeO → Fe2 O3 → FeCl3 → Fe(OH)3 .

Укажите названия всех соединений.

30. Составьте два уравнения получения сульфата цинка:

а) реакцией замещения металлом водорода соответствую щей кислоты;

б) реакцией нейтрализации.

Укажите названия исходных веществ.

1.3. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Технологические расчеты, как правило, начинаются с выбора метода производства, решающую роль в котором играет экономика процесса. Технологи всегда стремятся к тому, чтобы процесс был осуществлен по непрерывной схеме, сырье расходовалось достаточно полно, было меньше отходов производства, готовый продукт получался с большим выходом, все операции были механизированы, а режим поддерживался автоматически.

Составив технологическую схему производства и определив основные направления потоков сырья, полупродуктов или полуфабрикатов, а также готовой продукции, приступают к составлению материального и энергетического балансов.

Материальный баланс – вещественное выражение закона сохранения массы веществ, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию (приход), равна массе веществ, получившихся в результате реакции (расход).

Предположим, что технологический процесс основан на химической реакции, которая протекает по схеме

аА + b В = dД + еЕ,

где А, В - исходное сырье;

Д - основной продукт;

Е - побочный продукт;

а, b, d, e - стехиометрические коэффициенты.

Материальный баланс составляется на единицу массы сырья или готового продукта.

Из (mА + mВ) кг сырья получается mД кг основного и mE кг побочного продукта, и уравнение материального баланса будет:

mA + mB = mД + mE + mП ,

где mП – непроизводительные затраты сырья и готового продукта, которые обусловлены неполнотой химических превращений, а также механическими потерями при транспортировке и хранении сырья и готового продукта.

Типовая задача

Составьте материальный баланс процесса получения строительной извести из 1 т (1000 кг) известняка, имеющего состав:

CaCO3 – 93%,

MqCO3 – 4%,

каолинит (Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O) - 3%.

При высоких температурах карбонаты разлагаются на оксиды, которые, взаимодействуя с оксидом кальция, образуют силикаты и алюминаты кальция.

Решение.

ХИМИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ ПРОЦЕССА

Основное: CaCO3 → CaO + CO2;

Параллельные: MqCO3 → MqO + CO2

Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O→ Al2O3 + 2SiO2 + 2H2O;

Побочные: CaO + Al2O3→ CaO· Al2O3 ,

2 CaO + SiO2→ 2 CaO· SiO2.

1000кг

‹————————————————————————————————›

Суммарное: 6 CaCO3 + MqCO3 + Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O→

ν = 6 моль ν = 1 моль ν = 1 моль ν = 2 моль ν = 2 моль

М = 100 г/моль М = 84 г/моль М =102г/моль М=60 г/моль М = 18 г/моль

m = 600г m = 84г m = 102г m = 120г m = 36г

m (каолинита) = 102 г + 120 г + 36 г = 258 г

X Y

‹———————› ‹——————————————————————›

→ CaO + MqO + CaO· Al2O3 + 2(2 CaO· SiO2) + 2H2O + 7 CO2

ν = 1 моль ν= 1 моль ν =1 моль ν = 2 моль ν = 2 моль ν = 7 моль

М= 56 г/моль М= 40 г/моль М=158г/моль М=172 г/моль М=18 г/моль М=44 г/моль

m= 56г m= 40г m=158г m=344г m=36г m=308г

600 г + 84 г + 258 г = 56 г + 40 г + 158 г + 344 г + 36 г + 308 г

942 г = 598 г + 344 г.

Уравнение материального баланса, которое должно быть получено в результате расчета будет иметь вид:

1000 кг = X кг + Y кг.

СОСТАВ СЫРЬЯ

CaCO3 – 93% – 930кг;

MqCO3 – 4% – 40кг;

Каолинит – 3% – 30кг.

В соответствии с суммарным уранением процеccа:

в 258 кг каолинита (Al2O3·2SiO2·2H2O) содержится 102 кг Al2O3,

в 30 кг каолинита (Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O) содержится Xкг Al2O3,

X=12 кг.

в 258 кг каолинита (Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O) содержится 120 кг SiO2,

в 30 кг каолинита (Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O) содержится X кг SiO2,

X=14 кг.

в 258 кг каолинита (Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O) содержится 36 кг H2O,

в 30 кг каолинита (Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O) содержится Xкг H2O,

X=4 кг.

СОСТАВ ОСНОВНОГО ПРОДУКТА

Химический состав:

а) из 100 кг CaCO3 образуется 56 кг CaO,

из 930 кг CaCO3 образуется X кг CaO,

X=52 кг;

б) из 84 кг MgCO3 образуется 40 кг MgO,

из 40 кг MgCO3 образуется X кг MgO,

X=19 кг;

в) SiO2 – 14 кг;

г) Al2O3 – 12 кг.

Масса основного продукта (извести) составляет:

X= 521кг + 19 кг + 14 кг + 12 кг = 566 кг.

Минеральный состав:

а) 102 кг Al2O3 связывают в CaO· Al2O3 56 кг CaO,

12 кг Al2O3 связывают в CaO· Al2O3 X кг CaO,

X = 6.6 кг;

масса образовавшегося алюмината кальция:

m(2 CaO· SiO2) = 6.6 кг (CaO) + 12 кг (Al2O3) = 18.6кг;

б) 60 кг SiO2 связывают в 2CaO· SiO2 112 кг CaO,

14 кг SiO2 связывают в 2CaO· SiO2 X кг CaO,

X = 26.1кг;

масса образовавшегося двухкальциевого силиката:

m(2 CaO· SiO2) = (23.1 + 14) = 40.1кг;

в) масса свободного (несвязанного) оксида кальция:

m(CaO) = 521 кг – 6.6 кг – 26.1кг = 488.3 кг;

г) масса оксида магния: m(MqO) = 19кг.

СОСТАВ ПОБОЧНОГО ПРОДУКТА

а) из 100 кг CaCO3 образуются 44 кг CO2,

из 930 кг CaCO3 образуются X кг CO2,

X= 406 кг;

из 84 кг MqCO3 образуются 44 кг CO2,

из 40 кг MqCO3 образуются X кг CO2,

X = 21кг;

масса выделившегося углекислого газа:

m(CO2) = 409кг +21кг = 430кг;

б) из 258 кг каолинита выделяется 36 кг H2O,

из 30кг каолинита выделяется X кг H2O,

X = 4кг;

масса побочного продукта:

Y= 430кг + 4кг = 434кг.

Уравнение материального баланса: 1000= 566 + 434 .

Результаты расчёта представлены в виде табл. 2.

Таблица 2

Материальный баланс получения строительной извести

Сырье, кг	Основной продукт, кг	Побочный продукт, кг
Общая масса	Состав	Общая масса	Состав	Общая масса	Химический
минеральный	химический	Химический	Минеральный
1000	СаCО3 930	СаСО3 930	566	СаО 521	СаО сво - бодная 4 88, 3	434	СO2 430
	МgCO3 40	МgCO3 40		MgO 19	MgO 19		H2O 4
	Каолинит 30	Al2O3 12		Al2O3 12	CaO·Al2O 18,6
		SiO2 14		SiO2 14	2CaO·SiO2 40,1
		H2O 4

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

В соответствии с вариантом контрольной работы выберите в табл. 3 номер задания: (31 … 45) и составьте материальный баланс процесса получения строительной извести из 1 т (1000 кг) известняка, имеющего соответствующий состав: CaCO3 - ……%, MqCO3 - ……%, каолинит -……%.

Расчёт проведите аналогично типовой задаче. Приведите подробное решение и таблицу с результатами расчёта, аналогичную табл. 2.

Таблица 3

Контрольные задания по расчету материального баланса

получения строительной извести

Задача	Класс сырья	Содержание компонентов, %	Вид извести
СаСО3	MgCO3	Каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O
31 32 33 34 35 36 37 38 39	А Б В	95,0 94,0 93,0 92,0 91,0 90,0 88,0 87,0 85,0	4,0 4,5 5,0 7,0 7,5 8,0 9,0 11,0 12,0	1,0 1,5 2,0 1,0 1,5 2,0 3,0 2,0 3,0	Маломагнезиальная
40 41 42	Г	49,0 48,0 47,0	45,0 47,0 49,0	6,0 5,0 4,0	Доломитовая
43 44 45	Д	75,0 74,0 73,0	15,0 10,0 9,0	10,0 16,0 18,0	Гидравлическая

Тема 2. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

СОДЕРЖАНИЕ МАТЕРИАЛА ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Энергетика химических процессов. Термохимия. Закон . Расчет тепловых эффектов и принцип составления энергетических балансов.

Химическая кинетика. Факторы управления скоростью химической реакции. Гетерогенные химические процессы в технологии строительства и особенности их кинетики.

Химическое равновесие. Принцип Ле-Шателье и его практическое применение в технологии производства строительных материалов.

Направление и предел самопроизвольного протекания химических процессов.

Литература: [1− §§ 5.1-5.5;7.1…7.2], [2−§§ 5.1-5.3; 6.1…6.6].

2. 1. ЭНЕРГЕТИКА И НАПРАВЛЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Типовая задача

Процесс карбонизации гашеной извести идет по реакции

Са(ОН)2 (твёрд.) + СО2 (газ) = СаСО3 (твёрд.) + Н2О(жидк.)

Определите:

а) изменение энергии Гиббса (∆rG0298) при стандартных условиях в ходе данного процесса и решите вопрос о возможности самопроизвольного протекания его в указанных условиях;

б) температуру, при которой наступит состояние термодинамического равновесия данной системы;

в) количество теплоты, которое выделится при карбонизации 148кг гашеной извести.

Решение:

а) изменение энергии Гиббса химического процесса в стандартных условиях определяем по уравнению

∆rG0 = ∆rН0 – Т ∆rS0 , (6)

где ∆rН0 – изменение энтальпии в стандартных условиях;

∆rS0 - изменение энтропии в стандартных условиях;

Т – стандартная температура, равная 298 К.

Значения ∆fH0 и S0 для веществ, участвующих в реакции при стандартных условиях берем из табл. 4:

∆fH0 (СаСО3) = − 1206 кДж/моль; S0(СаСО3) = 93 Дж/(моль·К);

∆fH0 (Н2О) = −286 кДж/моль; S0 (Н2О) = 70 Дж/(моль·К);

∆fH0 (Са(ОН)2) = − 986 кДж/моль; S0 (Са(ОН)2) = 83 Дж/(моль· К);

∆fH0 (СО2) = − 393 кДж/моль; S0 (СО2) = 214 Дж/(моль·К).

Для определения ∆rН0 воспользуемся следствием закона Гесса:

∆rН0 = ∑ ν ∆fH0 продуктов - ∑ ν ∆fH0 исходных веществ, (7)

где ∑ - сумма значений ∆fH0 участников процесса;

ν – число моль, равное коэффициенту в уравнении химического процесса.

∆rH0 = [1 моль· ∆fH0 (CaCO3) + 1моль·∆fH0 (Н2О)] − [1моль·∆fH0(Са(ОН)2 +1моль·∆fH0(CO2)].

∆rH0,=[1моль·(−1206) кДж/моль+1моль·(−286) кДж/моль] –

− [1моль·(−986) кДж/моль +1моль(−396) кДж/моль)]= −113кДж.

Отрицательное значение ∆ rH0 свидетельствует о том, что теплота в ходе процесса выделяется (экзотермический процесс).

Аналогично рассчитываем изменение энтропии

∆rS0 = ∑ ν Ѕ0 продуктов - ∑ ν Ѕ0 исходных вещ-в, (8)

где ∑ - сумма значений Ѕ0 участников процесса;

ν – число моль, равное коэффициенту в уравнении химического процесса.

∆rS0 = [1 моль S0 (CaCO3) + 1моль S0 (H2O) ] −[ 1 моль S0 (Ca(OH)2) + 1 моль S0 (CO2) ]

∆rS0 = [ 1моль· 93 Дж/(моль·К) + 1моль·70 Дж/(моль·К)] – [1моль·83 Дж/(моль·К) + 1моль·214 Дж/(моль·К)] = 134Дж/К = 0,134 кДж/К.

В соответствии с (6): ∆rG0 = -113 кДж – 298 К (0,134 кДж/К) = −73,1 кДж.

Следовательно, при карбонизации извести происходит уменьшение энергии Гиббса. Так как ∆rG0 < 0, то при данных условиях возможно самопроизвольное протекание процесса в прямом направлении.

б) Направление самопроизвольного протекания процесса может измениться на обратное вблизи температуры термодинамического равновесия (Травн.), для которой ∆rG0 = 0.

Тогда при условии независимости энтальпии и энтропии от температуры уравнение (6) принимает вид: Травн. · ∆rS 0 = ∆rН0, и

Травн = ∆rН0 : ∆rS 0 .= −113кДж : −0,134 кДж/К = 843 К или 5960 С;

в) при карбонизации 1 моль Са(ОН)2, масса которого составляет 74 г, выделяется 113 кДж, а карбонизация 148 кг извести сопровождается выделением

(148 · 103 г ·113 кДж) : 74 г = 2,26 · 105 кДж теплоты.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Стандартные значения термодинамических функций (∆fH0, ∆fG0, S0), необходимые для решения задач, приводятся в табл. 4. В том случае, если не приведены значения ∆fH0 и ∆S0, расчёт изменения энергии Гиббса ведите по формуле:

∆rG0 = ∑ ν ∆fG0 продуктов - ∑ ν ∆fG0 исходных веществ, (9)

где ∑ - сумма значений ∆fG0 участников процесса;

ν – число моль, равное коэффициенту в уравнении химического процесса.

Таблица 4

Термодинамические величины некоторых простых веществ и соединений

Вещества	∆rН0298, кДж/моль	S0298, Дж/(моль·К)	∆rG0298, кДж/моль
Н2(г)	0	130	-
Mq	0	32	-
Sкр	0	32	-
Si	0	18	-
Fe	0	27	-
Al2O3 (kp)	-1675	51	-1582
CO (г)	-110	197	-138
CO2 (г)	-393	214	-394
CaO (kp)	-635	40	-604
Ca(OH)2 (kp)	-986	83	-897
CaCO3 (kp)	-1206	93	-1129
CaSiO3 (kp)	-1584	82	-1501
CaO· Al2O3 (kp)	-2321	-	-2202
3СaO· Al2O3 (kp)	-3556	-	-3376
3CaO· SiO2 (kp)	-2968	-	-2784
CaCO3·MqCO3 (kp)	-2326	-	-2153
CaSO4·0.5 H2O (kp)	-1575	-	-1435
CaSO4· 2 H2O (kp)	-2021	-	-1796
FeO (kp)	-264	59	-245
H2O (г)	-242	189	-229
H2O (ж)	-286	70	-237
H2S (г)	-20	205	-
MqO (kp)	-601	27	-570
Na2O (kp)	-403	71	-
NaHCO3 (kp)	-947	102	-
Na2CO3 (kp)	-1129	136	-
SO2 (г)	-297	248	-
SiO2 (kp)	-911	42	-857

46. Декарбонизация доломита идет по схеме