10. Медная руда содержит CuCO3*Cu(OH)2 и азурит 2CuCO3*Cu(OH)2 Какую массу меди можно получить из руды массой 5т, если массовая доля малахита 8%, азурита 3,6%. Определите массовую долю меди в руде.

3.4.2 Электрохимические производства

Электролизом называется окислительно-восстановительная реакция, протекающая при пропускании постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.

Сущность электролиза заключается в следующем: при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита положительные ионы электролита (ионы металлов или водорода) притягиваются катодом, а отрицательные ионы (кислотные остатки или гидроксильные группы) -- анодом. Приносимые к катоду от источника тока электроны присоединяются к положительным ионам электролита, восстанавливая их. Одновременно отрицательные ионы электролита отдают свои электроны аноду, от которого они двигаются к источнику тока. Теряя свои электроны, они окисляются в нейтральные атомы или группы атомов. Таким образом, у катода протекает процесс восстановления, а у анода -- процесс окисления.

А (+): nAn- - ne- > nAp-

K (-): nBn+ + ne- > nBp+

Оба процесса образуют единую окислительно-восстановительную реакцию. Но в отличие от обычных окислительно-восстановительных реакций электроны от восстановителя к окислителю переходят не прямо, а посредством электрического тока. Катод, приносящий электроны, является восстановителем, а анод, уносящий их,-- окислителем.

Основными показателями электрохимических производств являются выход по току, степень использования энергии. Расходный коэффициент по энергии, напряжение, приложенное к электролизеру, и др. Большинство вычислений основано на законе Фарадея, согласно которому масса вещества, выделившегося при электролизе пропорционально силе тока I, времени электролиза t и электрохимическому эквиваленту этого вещества ЭЭ

Масса вещества вычисляется по формуле

(1.3.1)

где, I - сила тока, F - постоянная Фарадея (96500 Кл)

(г-экв) (1.3.2)

Mr - относительная молекулярная масса вещества,

n - заряд иона (абсолютное значение) в виде которого вещество находится в растворе или в расплаве (т.е. количество отданных или принятых электронов).

Выход по току определяется отношением массы вещества, выделившегося при электролизе, к массе вещества, которое теоретически должно выделится согласно закону Фарадея, и выражается в процентах:

(1.3.3)

Масса mтеор находится по формуле

(1.3.4)

Выход по энергии определяется по уравнению

(1.3.5)

где, Етеор и Епр - теоретическое и практическое напряжение разложения при электролизе соответственно, В; з - выход по энергии,%.

Выход по энергии может быть вычислен и по количеству затраченной энергии:

(1.3.6)

где wтеор и wпр - количество энергии, теоретически необходимое и практически затраченное на получение единицы продукта.

(1.3.7)

где 1000 - коэффициент перевода Вт*ч в кВт*ч;

1*10-6 - число, используемое для перевода граммов в тонны.

Теоретический расход электроэнергии находится по отношению

(1.3.8)

где цразл - напряжение разложения.

Примеры решения задач

1. Какие процессы происходят при электролизе расплава гидроокиси натрия?

Решение:

В расплаве едкого натра содержатся ионы Nа+ и ОН. Окисляющиеся у анода ионы ОН в следующей стадии разлагаются с образованием воды и кислорода. Процесс можно изобразить следующим образом:

К(-): 2Na+ + 2е- = 2Na;

А(+): 2ОН - 2e- = Н2О + О2

Два атома кислорода, соединяясь друг с другом, образуют молекулу кислорода О2. Таким образом, суммарное уравнение

4NаОН = 4Na + 2Н2О + О2

При электролизе расплавов солей кислородных кислот окисляющиеся ионы кислотных остатков тут же разлагаются на кислород и соответствующие оксиды.

Своеобразно протекает электролиз в водном растворе. Дело в том, что сама вода -- электролит, хотя и очень слабый. Таким образом, в водном растворе фактически содержатся два электролита -- растворитель и растворенное вещество и соответственно по два вида как положительных, так и отрицательных ионов. Какие из них будут разряжаться, зависит от ряда условий. Как правило, можно руководствоваться следующим. Если положительные ионы электролита являются ионами очень активных металлов, как например Na+ или К-, то при электролизе разряжаются не ионы этих металлов, а ионы водорода из воды с выделением свободного водорода и освобождением гидроксильных ионов, что может быть выражено следующим электронно-ионным уравнением:

2H+OH+ 2е- = Н2^ + 2ОН

Если отрицательными ионами электролита являются кислотные остатки кислородных кислот, то при электролизе разряжаются не кислотные остатки этих кислот, а ионы ОН из воды с выделением кислорода, что можно выразить уравнением:

4Н2О -- 4е- = 4Н+ + 4ОН

4ОН- 2Н2О+О2

Складывая оба уравнения, получаем:

2Н2О -- 4е- = 4H+ + O2

2. Определить выход по току (в%), если в течение 24 ч в электролизере раствора поваренной соли при силе тока 15500А было получено 4200 л электролитической щелочи с концентрацией NaOH 125 кг/м3.

Решение:

По уравнению (1.3.4) масса гидроксида натрия теоретически должна была составить

практически было получено

Следовательно, выход по току по формуле (1.3.3) будет равен

Ответ: выход по току 94,6%.

3. Определите фактический расход электроэнергии (в киловатт-часах) на получение хлора массой 1 т и выход по энергии (в%), если среднее напряжение на электролизере 3,35В, выход по току 96%, а электрохимический эквивалент хлора равен 1,323 г/А*ч.

Решение:

Использовав формулу (1.3.7), определим фактический расход энергии

Если принять выход по току за 100%, то при теоретическом напряжении разложения NaCl, равном 2,17В, теоретический расход энергии на 1т хлора составит

В этом случае выход по энергии

Ответ: выход по энергии 62,2%; 2637 кВ/ч

Задачи для самостоятельного решения

1. Один из способов промышленного получения кальция - электролиз расплавленного хлорида кальция. Какая масса металла будет получена, если известно, что в результате электролиза выделился хлор объемом 896 л (н.у.)?

2. При электролизе раствора хлорида натрия в электролизе, работавшем в течении 24ч при силе тока 30000 А, было получено 8,5 м3 электролитической щелочи с концентрацией NaOH 120 кг/м3. рассчитать выход по току (для щелочи)

3. Определить силу тока, необходимые для выработки 100% -ного гидроксида натрия массой 1720 кг в сутки в электролизере с железным катом при его непрерывной работе, если выход по току составляет 96%

4. Вычислить массу хлора, вырабатываемого за год заводом, на котором установлено 5 серий по 150 электролизеров с железными катодами при непрерывной работе в течении 350 дней, силе тока 34000 А и выходе по току 95%. Определить мощность генератора переменного тока электростанции, обеспечивающий потребности завода в электрической энергии при напряжении донной серии 550 В, если КПД выпрямителя тока составляет 95%.

5. Вычислить теоретический и практический расход электроэнергии на 1т 100% NаОН для электролиза раствора хлорида натрия с ртутным катодом. Теоретическое напряжение разложения равно 3,168 В. Определить выход по энергии, если практическое напряжение разложения 4,4 В, а выход по току 92,5%.

6. Какие вещества, и в каком количестве выделяются на угольных электродах, если состав раствора 0,1 моль HgCl2 и 0,2 моль CuCl2 и через него пропускается ток силой 10 А в течение 1 ч?

7. При прохождении электрического тока через разбавленный раствор серной кислоты в течении 10 мин выделилось 100 мл водорода при 18С и давлении

755 мм рт. ст. Вычислите силу тока.

8. При электролитическом получении магния в качестве электролита может служит расплавленных хлорид магния. Вычислите выход по току, если в ванне, работающем при силе тока 40000 А, в течении 5 ч, выделилось 72,6 кг магния.

9. Определить количество электричества, необходимое для выделения 1 м3 водорода и 0,5 м3 кислорода, получаемое при электролизе воды. Теоретическое напряжение воды равно 1,23 В, а фактическое превышает его в 1,5 - 2 раза. Рассчитать фактический расход электрической энергии.

10. При электролизе раствора содержащего 2,895 г смеси FeCl2 и FeCl3, на катоде выделилось 1,12 г металла. Вычислите массовую долю каждого из компонентов исходной смеси, если электролиз проводили до полного осаждения железа.

3.5 Производство органических соединений

Основной или тяжелый органический синтез - это производство в больших количествах важнейших органических веществ преимущественно жирного ряда и простых по строению: спиртов (метилового, этилового), галогенопроизводных (винилхлорид), альдегидов и кетонов (формальдегид, ацетон), карбоновых кислот (муравьиная, уксусная, ВЖК), алкенов, диеновых УГВ. На базе продуктов тяжелого органического синтеза получают СМС, лекарственные препараты, ядохимикаты, пластмассы, волокна.

Как правило, это расчетные задачи по уравнениям химических реакций. При решении таких задач применяются основные законы и формулы для нахождения выхода продукта, массы, количества и т.д.

При решении задач используются как структурные формулы, так и брутто-формулы.

Примеры решения задач

1. При взаимодействии салициловой кислоты с уксусным ангидридом получают ацетилсалициловую кислоту, известную в медицине под названием «аспирин»:

Рассчитайте массу аспирина, который можно получить из 690 кг салициловой кислоты, если массовая доля выхода продукта составляет 75% от теоретически возможного.

Решение:

В уравнении реакции можно написать как структурные формулы, так и брутто-формулы.

С7Н12О3 + С4Н6О3 > С8Н14О4 + СН3СООН

салициловая кислота уксусный ангидрид аспирин уксусная кислот

Находим количество салициловой кислоты.

н(С7Н12О3)=

По уравнению н(С7Н12О3)= н(С8Н14О4)=4792 моль

mтеор(С8Н14О4)=4792 моль*174 г/моль=833808г.

Находим mпр

Ответ: 625 кг.

Задачи для самостоятельного решения

1. В промышленности винилхлорид получают пиролизом дихлорэтана:

2С2Н4 + 2НС1 > С2Н3С1 + НСl. В настоящее время осуществлен сбалансированный синтез дихлорэтана, при котором получают единственный продукт процесса -- винилхлорид. Для этого выделяющийся при пиролизе дихлорэтан смешивают с этиленом и подвергают окислительному хлорированию на катализаторе, содержащем хлорид меди(II) на носителе. Напишите уравнение реакции и рассчитайте объем хлороводорода (н. у.), выделившегося при пиролизе 19,8 кг дихлорэтана, и массу винилхлорида, полученного при сбалансированном синтезе. Какой объем займет этилен (н. у.), необходимый для второй стадии процесса?

2. Полимеризацией хлоропрена получают хлоропреновые каучуки, характеризующиеся высокой устойчивостью к действию света, теплоты и растворителей. Найдите молекулярную формулу хлоропрена, если известно, что массовые доли элементов в нем составляют: углерода -- 54,24%, водорода -- 5,65%, хлора -- 40,11%. Относительная плотность его паров по водороду равна 44,25.

3. Полимеризацией стирола получают полистирол, который используют в электротехнике в производстве декоративно-отделочных материалов и предметов бытового назначения. Найдите молекулярную формулу стирола, если известно, что массовая доля углерода в нем составляет 92,3%, водорода -- 7,7%. Относительная молекулярная масса стирола равна 104.

4. Один из многоатомных спиртов используют для приготовления антифризов -- жидкостей, замерзающих при низкой температуре. Антифризы используют в зимних условиях для охлаждения автомобильных двигателей. Найдите молекулярную формулу этого спирта, если массовая доля углерода в нем составляет 38,7%, водорода -- 9,7%, кислорода -- 51,6%. Относительная плотность его паров по водороду равна 31. Напишите структурную формулу спирта и назовите его.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11