Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 103.
Żelazo jest pierwiastkiem chemicznym, którego atomy występują w przyrodzie w postaci 4 trwałych odmian izotopowych. Najbardziej rozpowszechnioną odmianę stanowią nuklidy o liczbie masowej 56.
Silnie rozdrobnione żelazo zapala się samorzutnie w powietrzu. Produktem utleniania żelaza w wysokich temperaturach jest magnetyt, Fe3O4. Powstaje on także w czasie spalania żelaza w czystym tlenie (reakcja 1.). Oprócz tlenku Fe3O4 żelazo tworzy jeszcze 2 inne tlenki: FeO i Fe2O3. W podwyższonych temperaturach żelazo reaguje również z parą wodną według równania:
3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
Roztwarzając czyste żelazo w kwasie solnym, uzyskuje się wodny roztwór chlorku żelaza(II) (reakcja 2.), natomiast działając gazowym chlorem na żelazo w podwyższonej temperaturze, uzyskuje się chlorek żelaza(III) (reakcja 3.). Pary chlorku żelaza(III) kondensują, tworząc ciemnobrunatne kryształy dobrze rozpuszczalne w wodzie.
Żelazo ma zdolność zastępowania mniej aktywnych metali w ich roztworach. Przebiega wtedy reakcja opisana schematem:
MeI + Me2+II → Me2+I + MeII
Powyższa przemiana zachodzi także podczas doświadczenia zilustrowanego rysunkiem:
Na podstawie: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2004, s. 917–934; M. Sienko, R. Plane, Chemia, podstawy i zastosowania, Warszawa 1996, s. 542–550; J. Sawicka i inni, Tablice chemiczne, Gdańsk 2002, s. 202.
Na 4,2 g żelaza podziałano nadmiarem pary wodnej i zainicjowano reakcję, która przebiegła z wydajnością równą 85%.
Oblicz, jaką objętość w warunkach normalnych zajmie wodór, który wydzielił się podczas opisanej przemiany.
Rozwiązanie
Przykłady poprawnych odpowiedzi
mFe = 4,2 g
W = 85%
VH2
Rozwiązanie:
I sposób
3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
4,2 g Fe
⸺
x
x = 2,24 dm3 H2
y
⸺
85%
y = 1,904 dm3 H2
II sposób
3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
nFe = 4,2 g56 g ⋅ mol−1 = 0,075 mola
0,075 mola Fe
⸺
x
x = 2,24 dm3 H2
y
⸺
85%
y = 1,904 dm3 H2
Wskazówki
Aby poprawnie rozwiązać zadanie, musisz skorzystać z równania reakcji zapisanego w informacji do zadań:
3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
oraz z zestawu Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych na egzamin maturalny z biologii, chemii i fizyki (odczytanie masy molowej żelaza oraz objętości 1 mola gazu w warunkach normalnych). Po odczytaniu niezbędnych danych należy zapisać zależność uwzględniającą stechiometrię przemiany, np. proporcję, i obliczyć objętość wydzielonego wodoru (warunki normalne). Jeśli w reakcji na 4,2 g żelaza podziałano nadmiarem pary wodnej, to obliczona objętość wodoru wynosi 2,24 dm3 przy założeniu, że przemiana przebiegła z wydajnością równą 100%. Tymczasem w zadaniu podano, że wydajność opisanego procesu była równa 85%. Informacja ta powoduje konieczność zapisania kolejnej zależności i obliczenia objętości wodoru przy założeniu, że reakcja przebiegła z podaną w zadaniu wydajnością (I sposób rozwiązania). Podczas rozwiązywania zadania pamiętaj o poprawnym zaokrąglaniu wyników pośrednich i wyniku końcowego oraz o podaniu wyniku z odpowiednią jednostką.
