DWMED

Jedną z przemysłowych metod wytwarzania cynku jest redukcja jego tlenku:

ZnO + C → Zn + CO

W trakcie prowadzonego procesu przebiegają również dwie wpływające na jego całkowitą wydajność reakcje chemiczne:

Reakcja A: ZnO_(s) + CO_(g) ⇄ Zn_(g) + CO_2(g)

Reakcja B: CO_2(g) + C_(s) ⇄ 2CO_(g)

Rysunek poniżej ilustruje charakterystyki zmian równowagowego składu fazy gazowej złożonej z CO oraz CO₂ pod ciśnieniem 0,1 MPa dla reakcji A oraz B. Zakreskowane pole nad krzywą A obrazuje obszar trwałości cynku, natomiast pole pod tą krzywą jest obszarem trwałości ZnO.

Z zamieszczonych charakterystyk wynika, że w temperaturze powyżej 930 ^oC stężenie równowagowe CO jest dostatecznie wysokie, aby mogła przebiegać reakcja A.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Stałe równowag reakcji biegnących z udziałem reagentów gazowych często przedstawia się przy użyciu równowagowych ciśnień cząstkowych takich substancji (ciśnień w stanie równowagi). Ciśnienie cząstkowe (p_i) gazowego składnika w mieszaninie gazów opisuje równanie:

p_i = x_i ∙ p

W wyrażeniu tym wielkość p jest ciśnieniem całkowitym mieszaniny gazów, natomiast x_i jest ułamkiem molowym jej składnika, który definiuje się jako stosunek liczby moli tego składnika do sumarycznej liczby moli wszystkich składników mieszaniny.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.  Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013 oraz D. Mickiewicz, Podstawy obliczeń chemicznych. Część I, Łódź 2019.

Ciśnieniowe stałe równowag – reakcji A (K_A) oraz reakcji B (K_B) w temperaturze T opisują wyrażenia:

Z równań przedstawiających stałe równowag reakcji A oraz B można wyznaczyć równowagowe ciśnienie cząstkowe par cynku znajdujących się w układzie podczas prowadzonego procesu.

Wyprowadź wyrażenie ilustrujące równowagowe ciśnienie cząstkowe par cynku w funkcji równowagowego ciśnienia cząstkowego tlenku węgla(IV) w temperaturze T.

Jedną z przemysłowych metod wytwarzania cynku jest redukcja jego tlenku:

ZnO + C → Zn + CO

W trakcie prowadzonego procesu przebiegają również dwie wpływające na jego całkowitą wydajność reakcje chemiczne:

Reakcja A: ZnO_(s) + CO_(g) ⇄ Zn_(g) + CO_2(g)

Reakcja B: CO_2(g) + C_(s) ⇄ 2CO_(g)

Rysunek poniżej ilustruje charakterystyki zmian równowagowego składu fazy gazowej złożonej z CO oraz CO₂ pod ciśnieniem 0,1 MPa dla reakcji A oraz B. Zakreskowane pole nad krzywą A obrazuje obszar trwałości cynku, natomiast pole pod tą krzywą jest obszarem trwałości ZnO.

Z zamieszczonych charakterystyk wynika, że w temperaturze powyżej 930 ^oC stężenie równowagowe CO jest dostatecznie wysokie, aby mogła przebiegać reakcja A.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Stałe równowag reakcji biegnących z udziałem reagentów gazowych często przedstawia się przy użyciu równowagowych ciśnień cząstkowych takich substancji (ciśnień w stanie równowagi). Ciśnienie cząstkowe (p_i) gazowego składnika w mieszaninie gazów opisuje równanie:

p_i = x_i ∙ p

W wyrażeniu tym wielkość p jest ciśnieniem całkowitym mieszaniny gazów, natomiast x_i jest ułamkiem molowym jej składnika, który definiuje się jako stosunek liczby moli tego składnika do sumarycznej liczby moli wszystkich składników mieszaniny.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.  Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013 oraz D. Mickiewicz, Podstawy obliczeń chemicznych. Część I, Łódź 2019.

Ciśnieniowe stałe równowag – reakcji A (K_A) oraz reakcji B (K_B) w temperaturze T opisują wyrażenia:

Z równań przedstawiających stałe równowag reakcji A oraz B można wyznaczyć równowagowe ciśnienie cząstkowe par cynku znajdujących się w układzie podczas prowadzonego procesu.

Na podstawie wyprowadzonego wyrażenia oraz niezbędnych obliczeń ustal, jak zmieni się równowagowe ciśnienie cząstkowe par cynku, gdy równowagowe ciśnienie cząstkowe CO₂ w temperaturze T wzrośnie czterokrotnie?

Jedną z przemysłowych metod wytwarzania cynku jest redukcja jego tlenku:

ZnO + C → Zn + CO

W trakcie prowadzonego procesu przebiegają również dwie wpływające na jego całkowitą wydajność reakcje chemiczne:

Reakcja A: ZnO_(s) + CO_(g) ⇄ Zn_(g) + CO_2(g)

Reakcja B: CO_2(g) + C_(s) ⇄ 2CO_(g)

Rysunek poniżej ilustruje charakterystyki zmian równowagowego składu fazy gazowej złożonej z CO oraz CO₂ pod ciśnieniem 0,1 MPa dla reakcji A oraz B. Zakreskowane pole nad krzywą A obrazuje obszar trwałości cynku, natomiast pole pod tą krzywą jest obszarem trwałości ZnO.

Z zamieszczonych charakterystyk wynika, że w temperaturze powyżej 930 ^oC stężenie równowagowe CO jest dostatecznie wysokie, aby mogła przebiegać reakcja A.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Oceń, czy wydajność tworzenia się par cynku w reakcji A rośnie ze wzrostem temperatury? Uzasadnij odpowiedź.

Elektrolizę tlenku glinu prowadzi się w temperaturze około 950 ^oC, po jego rozpuszczeniu w kriolicie (Na₃AlF₆), który powstaje w wyniku stapiania mieszaniny fluorków – sodu oraz glinu, zmieszanych w stosunku molowym 3:1. W praktyce jednak elektrolizę prowadzi się w elektrolicie, w którym stosunek molowy wymienionych fluorków wynosi 2,7:1. Dzięki takiemu zabiegowi temperatura topnienia elektrolitu jest niższa niż czystego kriolitu. Podczas procesu elektrolizy w zastosowanym elektrolicie tlenek glinu ulega dysocjacji:

Na katodzie redukcji ulegają jony Al³⁺, natomiast na węglowej anodzie przebiega proces:

Glin praktycznie nie rozpuszcza się w zastosowanym elektrolicie, dlatego w warunkach prowadzonego procesu powstały w wyniku elektrolizy ciekły metal samorzutnie spływa na dno elektrolizera, a następnie jest z niego usuwany.

Techniczny tlenek glinu przed wprowadzeniem do elektrolizera zawiera znaczne ilości wilgoci. W celu jej usunięcia, próbka zostaje poddana prażeniu. Pomimo takiego zabiegu zdarza się, że śladowe ilości wody pozostają w jego strukturze krystalicznej lub dostają się do elektrolizera razem z niedostatecznie wysuszonym powietrzem. Dochodzi wtedy do reakcji wody z kriolitem, co jest niepożądane z uwagi na uwalnianie się toksycznego dla środowiska fluorowodoru oraz powstawanie fluorku sodu, którego zwiększona ilość znacząco wpływa na temperaturę topnienia elektrolitu. Trzecim produktem opisanej reakcji kriolitu z wodą jest tlenek glinu.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna. Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Napisz równanie procesu katodowego oraz sumaryczne równanie procesu elektrolizy tlenku glinu. W równaniu sumarycznym zapisz niezdysocjowaną postać tego związku chemicznego.

Elektrolizę tlenku glinu prowadzi się w temperaturze około 950 ^oC, po jego rozpuszczeniu w kriolicie (Na₃AlF₆), który powstaje w wyniku stapiania mieszaniny fluorków – sodu oraz glinu, zmieszanych w stosunku molowym 3:1. W praktyce jednak elektrolizę prowadzi się w elektrolicie, w którym stosunek molowy wymienionych fluorków wynosi 2,7:1. Dzięki takiemu zabiegowi temperatura topnienia elektrolitu jest niższa niż czystego kriolitu. Podczas procesu elektrolizy w zastosowanym elektrolicie tlenek glinu ulega dysocjacji:

Na katodzie redukcji ulegają jony Al³⁺, natomiast na węglowej anodzie przebiega proces:

Glin praktycznie nie rozpuszcza się w zastosowanym elektrolicie, dlatego w warunkach prowadzonego procesu powstały w wyniku elektrolizy ciekły metal samorzutnie spływa na dno elektrolizera, a następnie jest z niego usuwany.

Techniczny tlenek glinu przed wprowadzeniem do elektrolizera zawiera znaczne ilości wilgoci. W celu jej usunięcia, próbka zostaje poddana prażeniu. Pomimo takiego zabiegu zdarza się, że śladowe ilości wody pozostają w jego strukturze krystalicznej lub dostają się do elektrolizera razem z niedostatecznie wysuszonym powietrzem. Dochodzi wtedy do reakcji wody z kriolitem, co jest niepożądane z uwagi na uwalnianie się toksycznego dla środowiska fluorowodoru oraz powstawanie fluorku sodu, którego zwiększona ilość znacząco wpływa na temperaturę topnienia elektrolitu. Trzecim produktem opisanej reakcji kriolitu z wodą jest tlenek glinu.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna. Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Wraz ze zmianą stanu skupienia substancji chemicznych zmienia się ich gęstość. W temperaturze 25 ^oC pod ciśnieniem normalnym glin oraz kriolit są ciałami stałymi, a ich gęstości wynoszą (odpowiednio) 2,7 g∙cm^–3 i  2,9 g∙cm^–3.

Oceń, czy w warunkach prowadzonego procesu elektrolitycznego gęstość glinu jest większa, czy mniejsza od gęstości elektrolitu? Uzasadnij odpowiedź.

Elektrolizę tlenku glinu prowadzi się w temperaturze około 950 ^oC, po jego rozpuszczeniu w kriolicie (Na₃AlF₆), który powstaje w wyniku stapiania mieszaniny fluorków – sodu oraz glinu, zmieszanych w stosunku molowym 3:1. W praktyce jednak elektrolizę prowadzi się w elektrolicie, w którym stosunek molowy wymienionych fluorków wynosi 2,7:1. Dzięki takiemu zabiegowi temperatura topnienia elektrolitu jest niższa niż czystego kriolitu. Podczas procesu elektrolizy w zastosowanym elektrolicie tlenek glinu ulega dysocjacji:

Na katodzie redukcji ulegają jony Al³⁺, natomiast na węglowej anodzie przebiega proces:

Glin praktycznie nie rozpuszcza się w zastosowanym elektrolicie, dlatego w warunkach prowadzonego procesu powstały w wyniku elektrolizy ciekły metal samorzutnie spływa na dno elektrolizera, a następnie jest z niego usuwany.

Techniczny tlenek glinu przed wprowadzeniem do elektrolizera zawiera znaczne ilości wilgoci. W celu jej usunięcia, próbka zostaje poddana prażeniu. Pomimo takiego zabiegu zdarza się, że śladowe ilości wody pozostają w jego strukturze krystalicznej lub dostają się do elektrolizera razem z niedostatecznie wysuszonym powietrzem. Dochodzi wtedy do reakcji wody z kriolitem, co jest niepożądane z uwagi na uwalnianie się toksycznego dla środowiska fluorowodoru oraz powstawanie fluorku sodu, którego zwiększona ilość znacząco wpływa na temperaturę topnienia elektrolitu. Trzecim produktem opisanej reakcji kriolitu z wodą jest tlenek glinu.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna. Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Napisz równanie reakcji chemicznej kriolitu z zawartą w tlenku glinu wilgocią.

Sumaryczna stała trwałości kompleksu charakteryzuje sumaryczną reakcję przyłączania ligandów do wolnego kationu metalu. Na przykład sumaryczna stała trwałości (β₆) jonu kompleksowego [Fe(CN)₆]^3– w temperaturze 25 ^oC ma wartość 10³¹, a opisujące ją wyrażenie przyjmuje postać:

Różnice w wartościach kolejnych stałych trwałości w wieloetapowym procesie tworzenia docelowego jonu kompleksowego są stosunkowo niewielkie, dlatego w obliczeniach często zaniedbuje się tworzenie pośrednich jonów kompleksowych. Zakłada się wtedy, że stężenie jonu Fe³⁺ w wodnym roztworze heksacyjanożelazianu(III) potasu ma wartość sześciokrotnie mniejszą od stężenia jonów cyjankowych (CN^–).

Na podstawie: Z. Galus (red.), Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej, Warszawa 2013.

Przygotowano wodny roztwór soli – heksacyjanożelazianu(III) potasu o stężeniu 0,02 mol·dm^–3.  W roztworze tym dysocjacja trwałego jonu [Fe(CN)₆]^3– zachodzi w tak niewielkim stopniu, że przyjmuje się wówczas stężenie molowe jonu kompleksowego równe stężeniu soli.

Zapisz w formie jonowej skróconej sumaryczne równanie procesu tworzenia jonu [Fe(CN)₆]^3–.

Sumaryczna stała trwałości kompleksu charakteryzuje sumaryczną reakcję przyłączania ligandów do wolnego kationu metalu. Na przykład sumaryczna stała trwałości (β₆) jonu kompleksowego [Fe(CN)₆]^3– w temperaturze 25 ^oC ma wartość 10³¹, a opisujące ją wyrażenie przyjmuje postać:

Różnice w wartościach kolejnych stałych trwałości w wieloetapowym procesie tworzenia docelowego jonu kompleksowego są stosunkowo niewielkie, dlatego w obliczeniach często zaniedbuje się tworzenie pośrednich jonów kompleksowych. Zakłada się wtedy, że stężenie jonu Fe³⁺ w wodnym roztworze heksacyjanożelazianu(III) potasu ma wartość sześciokrotnie mniejszą od stężenia jonów cyjankowych (CN^–).

Na podstawie: Z. Galus (red.), Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej, Warszawa 2013.

Przygotowano wodny roztwór soli – heksacyjanożelazianu(III) potasu o stężeniu 0,02 mol·dm^–3.  W roztworze tym dysocjacja trwałego jonu [Fe(CN)₆]^3– zachodzi w tak niewielkim stopniu, że przyjmuje się wówczas stężenie molowe jonu kompleksowego równe stężeniu soli.

Oblicz stężenie jonów Fe³⁺ w wodnym roztworze heksacyjanożelazianu(III) potasu o podanym stężeniu. Wynik podaj w µmol·dm^–3 z dokładnością do dwóch cyfr znaczących.

Faza wodna zawiesiny węglanu wapnia stanowi jego roztwór nasycony, a równowagę, jaka ustala się między tym roztworem oraz nierozpuszczoną częścią węglanu wapnia przedstawia równanie:

Równowagę tę opisuje wielkość zwana iloczynem rozpuszczalności (K_so), który przedstawić można wyrażeniem w postaci:

W temperaturze 25 ^oC przygotowano wodną zawiesinę węglanu wapnia. Do opisanej zawiesiny wprowadzono kilka kropli alkoholowego roztworu fenoloftaleiny. Faza wodna przyjęła wówczas różowe zabarwienie.

Napisz w formie jonowej skróconej równanie chemiczne pierwszego etapu tego procesu, którego przebieg przyczynił się do pojawienia różowego zabarwienia.

Faza wodna zawiesiny węglanu wapnia stanowi jego roztwór nasycony, a równowagę, jaka ustala się między tym roztworem oraz nierozpuszczoną częścią węglanu wapnia przedstawia równanie:

Równowagę tę opisuje wielkość zwana iloczynem rozpuszczalności (K_so), który przedstawić można wyrażeniem w postaci:

W temperaturze 25 ^oC przygotowano wodną zawiesinę węglanu wapnia. Po pewnym czasie, gdy osad opadł na dno naczynia pobrano próbkę znajdującego się nad nim roztworu o objętości 2 cm³ i umieszczono w probówce.

Na podstawie niezbędnych obliczeń udowodnij, że wprowadzenie do opisanej mieszaniny 5 cm³ roztworu bromku wapnia, w którym stężenie jonów bromkowych wynosi 0,002 mol∙dm^–3 spowoduje strącenie się osadu węglanu wapnia.

Poniższy wykres ilustruje zmiany rozpuszczalności (g/100 g wody) hydratu o wzorze MgCl₂∙6H₂O w zależności od temperatury.

Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013.

W temperaturze 54 ^oC, w zlewce przygotowano 250 g nasyconego roztworu chlorku magnezu. Uzyskaną mieszaninę ochłodzono do temperatury 17 ^oC, co poskutkowało krystalizacją hydratu, który opadł na dno naczynia.

Podkreśl wyrażenia w nawiasach tak, aby powstały zdania prawdziwe.

Jednym ze źródeł energii elektrycznej jest tzw. ogniwo stężeniowe bez przenoszenia, którego schemat można przedstawić w sposób następujący:

A (–) M_(s)|M^x+_(aq) II M^x+_(aq)|M_(s) (+) K

Jedno z budujących je półogniw stanowi wówczas metal (M) zanurzony w wodnym roztworze zawierającym kationy tego metalu (M^x+). Drugie półogniwo złożone jest z takiej samej elektrody, zanurzonej w roztworze tej samej substancji chemicznej co pierwsze półogniwo, ale o innym stężeniu jonów M^X+. Potencjał redoks półogniwa w opisanym ogniwie stężeniowym w temperaturze 298 K opisuje równanie Nernsta:

W wyrażeniu tym wielkość C jest stężeniem molowym kationu M^x+.

Zbudowano ogniwo stężeniowe z dwóch półogniw Cu|Cu²⁺. W jednym z nich stężenie jonów Cu²⁺ wynosiło 1 mol∙dm^–3, w drugim natomiast było takie samo jak stężenie jonów wodorowych w roztworze kwasu solnego o pH = 2.

Oceń poprawność poniższych zdań dotyczących opisanego ogniwa stężeniowego. Wpisz literę „P” (prawda) lub literę „F” (fałsz).

Atom węgla w cząsteczce alkenu oraz cykloalkenu połączony bezpośrednio z atomem węgla o hybrydyzacji sp² orbitali walencyjnych nazywa się atomem węgla allilowym. Połączony z nim atom wodoru może zostać stosunkowo łatwo podstawiony bromem w obecności światła w wyniku reakcji z N-bromoimidem kwasu bursztynowego (NBS) według schematu:

Przebieg podstawienia atomu wodoru według opisanego schematu związany jest z wyrażoną w kJ∙mol^–1 stosunkowo niewielką energią dysocjacji wiązania allilowego atomu węgla z atomem wodoru. Jest to energia, jaką trzeba dostarczyć, aby przekształcić 1 mol alkenu (lub cykloalkenu) w 1 mol atomów wodoru i 1 mol odpowiedniego rodnika organicznego. Produkty bromowania allilowego są szczególnie użyteczne do przekształcania w dieny sprzężone w reakcji dehydrohalogenowania – reakcji przebiegającej analogicznie jak proces przekształcania chloropochodnej alkanu lub cykloalkanu odpowiednio w alken lub cykloalken.

Na podstawie: J. McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2012.

Rysunek poniżej ilustruje schemat budowy cząsteczki cykloheksenu z zaznaczonymi wybranymi atomami wodoru, które oznaczono (umownie) literami a, b oraz c.

Spośród podanych wartości energii wiązań węgiel – wodór podkreśl tę, która odpowiada dysocjacji wiązania utworzonego między atomem wodoru b a allilowym atomem węgla w cząsteczce cykloheksenu.

Atom węgla w cząsteczce alkenu oraz cykloalkenu połączony bezpośrednio z atomem węgla o hybrydyzacji sp² orbitali walencyjnych nazywa się atomem węgla allilowym. Połączony z nim atom wodoru może zostać stosunkowo łatwo podstawiony bromem w obecności światła w wyniku reakcji z N-bromoimidem kwasu bursztynowego (NBS) według schematu:

Przebieg podstawienia atomu wodoru według opisanego schematu związany jest z wyrażoną w kJ∙mol^–1 stosunkowo niewielką energią dysocjacji wiązania allilowego atomu węgla z atomem wodoru. Jest to energia, jaką trzeba dostarczyć, aby przekształcić 1 mol alkenu (lub cykloalkenu) w 1 mol atomów wodoru i 1 mol odpowiedniego rodnika organicznego. Produkty bromowania allilowego są szczególnie użyteczne do przekształcania w dieny sprzężone w reakcji dehydrohalogenowania – reakcji przebiegającej analogicznie jak proces przekształcania chloropochodnej alkanu lub cykloalkanu odpowiednio w alken lub cykloalken.

Na podstawie: J. McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2012.

Poniższy schemat ilustruje ciąg przemian (1.–4.) prowadzących do powstania sprzężonego dienu:

Przemiany 1. oraz 3. prowadzono w obecności światła, natomiast reakcje 2. oraz 4. to procesy dehydrohalogenowania biegnące w środowisku alkoholowym.

Określ typ (substytucja, addycja, eliminacja) oraz mechanizm (elektrofilowy, nukleofilowy, rodnikowy) zgodnie z którym przebiega reakcja 1.

Atom węgla w cząsteczce alkenu oraz cykloalkenu połączony bezpośrednio z atomem węgla o hybrydyzacji sp² orbitali walencyjnych nazywa się atomem węgla allilowym. Połączony z nim atom wodoru może zostać stosunkowo łatwo podstawiony bromem w obecności światła w wyniku reakcji z N-bromoimidem kwasu bursztynowego (NBS) według schematu:

Przebieg podstawienia atomu wodoru według opisanego schematu związany jest z wyrażoną w kJ∙mol^–1 stosunkowo niewielką energią dysocjacji wiązania allilowego atomu węgla z atomem wodoru. Jest to energia, jaką trzeba dostarczyć, aby przekształcić 1 mol alkenu (lub cykloalkenu) w 1 mol atomów wodoru i 1 mol odpowiedniego rodnika organicznego. Produkty bromowania allilowego są szczególnie użyteczne do przekształcania w dieny sprzężone w reakcji dehydrohalogenowania – reakcji przebiegającej analogicznie jak proces przekształcania chloropochodnej alkanu lub cykloalkanu odpowiednio w alken lub cykloalken.

Na podstawie: J. McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2012.

Poniższy schemat ilustruje ciąg przemian (1.–4.) prowadzących do powstania sprzężonego dienu:

Przemiany 1. oraz 3. prowadzono w obecności światła, natomiast reakcje 2. oraz 4. to procesy dehydrohalogenowania biegnące w środowisku alkoholowym.

Stosując grupowe lub uproszczone wzory związków organicznych napisz równanie reakcji 4. W zapisie uwzględnij warunki prowadzenia procesu.