Съдържание

НОХ 2011, III кръг (национален), 10–12 клас, файл Problems.pdf — Задача 3

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от НОХ 2011

МОМН, 43-та НАЦИОНАЛНА ОЛИМПИАДА ПО ХИМИЯ И ОПАЗВАНЕ НА ОКОЛНАТА СРЕДА – 2011 година. Национален кръг 26 – 27 март. 10-ти - 12-ти клас – теоретичен етап · 26 март 2011 г. · 28 т.

Условие

Оливин е един от най-разпространените минерали на Земята. Той има химична формула $\mathrm{(Mg,Fe)_2SiO_4}$ и представлява твърд разтвор от два силикатни минерала: форестрит Fo, $\mathrm{Mg_2SiO_4 = 2MgO\times SiO_2}$ и файалит Fa, $\mathrm{Fe_2SiO_4 = 2FeO\times SiO_2}$ . В геоложки условия дълбоко под земята, в присъствие на топлина и вода, и отсъствие на атмосферен кислород, оливин серпентинизира – така се нарича химичното му превръщане, при което основен продукт е минералът серпентин Se ( $\mathrm{Mg_3Si_2O_5(OH)_4 = MgO\times 2Mg(OH)_2\times 2SiO_2}$ ).

Серпентинизацията на оливин включва няколко, взаимно допълващи се, химични процеса:

Fa се окислява в анаеробна среда с водородни катиони (от вода), като се получава магнетит (Ma) по реакцията:

(1) $\mathrm{Fe_2SiO_4 + H_2O \longrightarrow Fe_3O_4 + SiO_2 + H_2}$
Fo свързва отделения силициев диоксид и се получава Se по реакцията:

(2) $\mathrm{Mg_2SiO_4 + SiO_2 + H_2O \longrightarrow Mg_3Si_2O_5(OH)_4}$
Fo се хидратира, при което се получава Se и бруцит (Br), по реакцията:

(3) $\mathrm{Mg_2SiO_4 + H_2O \longrightarrow Mg_3Si_2O_5(OH)_4 + Mg(OH)_2}$

1 Изравнете реакции (1), (2) и (3), като за реакция (1) използвате електронен баланс.

Жокер: $\mathrm{Fe_3O_4}$ е смесен оксид (на желязо).

2 Изразете следния процес с изравнено химично уравнение, като (запишете всички вещества с химичните им формули) и добавите липсващите участници:

Fo + Fa \longrightarrow Ma + Se + Br

Жокер: Сумирайте изравнените уравнения от т.1, като спазите стехиометричните отношения в тях.

3 а) Пресметнете масовата част (в %) на Fo и Fa в оливин.

б) Определете химичната формула на оливин и я запишете във вида: $\mathrm{Mg_aFe_bSiO_4}$ или $\mathrm{aMgO\times bFeO\times SiO_2}$ .

в) Изчислете молната маса на оливин.

При серпентинизация на оливин в присъствие на въглероден диоксид, вместо водород и бруцит, се получават метан и магнезит ( $\mathrm{MgCO_3}$ ), съответно.

4 Изразете с изравнени химични уравнения:

а) окислението на Fa в присъствие на въглероден диоксид;

б) получаването на магнезит от Fo.

Черният пясък, който се среща и по нашето черноморско крайбрежие е от кварц ( $\mathrm{SiO_2}$ ), съдържащ Ма (магнетит е с черно-сив цвят). Такъв пясък се среща на някои места в големи количества и е суровина за производство на желязо (Нова Зеландия, Перу).

5 Обяснете съвместното присъствие на магнетит и кварц, като имате предвид, че съотношението между Fo и Fa в оливина може да е различно.

Отговори

Решение

Анаеробно окисление на Fa

(1) $\mathrm{3Fe_2SiO_4 + 2H_2O \longrightarrow 2Fe_3O_4 + 3SiO_2 + 2H_2}$ 1 т.

(електронен баланс – виж фигурата) 2 т.

Свързване на отделения $\mathrm{SiO_2}$ от Fo

(2) $\mathrm{3Mg_2SiO_4 + SiO_2 + 4H_2O \longrightarrow 2Mg_3Si_2O_5(OH)_4}$ 2 т.

Хидратиране на Fo

(3) $\mathrm{2Mg_2SiO_4 + 3H_2O \longrightarrow Mg_3Si_2O_5(OH)_4 + Mg(OH)_2}$ 2 т.

(1) + 3× (2) + (3):

(*) $\mathrm{11Mg_2SiO_4 + 3Fe_2SiO_4 + 17H_2O \longrightarrow 2Fe_3O_4 + 7Mg_3Si_2O_5(OH)_4 + Mg(OH)_2 + 2H_2}$ 3 т.

а) $M(Fo) = 140.6$ g/mol; $M(Fa) = 204.0$ g/mol 1+1 = 2 т.

w(Fo) = \frac{(11\ \mathrm{mol})\times(140.6\ \mathrm{g/mol})}{(11\ \mathrm{mol})\times(140.6\ \mathrm{g/mol}) + (3\ \mathrm{mol})\times(204.0\ \mathrm{g/mol})} = 0.7165 = 71.6\ \%;

2 т.

w(Fa) = \frac{(3\ \mathrm{mol})\times(204.0\ \mathrm{g/mol})}{(11\ \mathrm{mol})\times(140.6\ \mathrm{g/mol}) + (3\ \mathrm{mol})\times(204.0\ \mathrm{g/mol})} = 0.2835 = 28.4\ \%;

2 т.

б) От уравнение (*):

n(\mathrm{Mg}) : n(\mathrm{Fe}) : n(\mathrm{SiO_4}) = 22 : 6 : 14 = \frac{22}{14} : \frac{6}{14} : \frac{14}{14} = 1.57 : 0.43 : 1 \approx 1.6 : .4 : 1

$\Rightarrow \quad \mathrm{Mg_{1.6}Fe_{0.4}SiO_4 \equiv 1.6MgO\times 0.4FeO\times SiO_2}$ 3 т.

в) $M(\mathrm{olivine}) = 1.6\times24.3 + 0.4\times56 + (28 + 4\times16) = 153.3$ g/mol 1 т.

а) $\mathrm{CO_2 + 4H_2 \longrightarrow CH_4 + 2H_2O}$ 1 т.

\begin{array}{l} \mathrm{3Fe_2SiO_4 + 2H_2O \longrightarrow 2Fe_3O_4 + 3SiO_2 + 2H_2} \quad |\times 2 \quad + \\ \mathrm{CO_2 + 4H_2 \longrightarrow CH_4 + 2H_2O} \\ \hline \mathrm{6Fe_2SiO_4 + 2H_2O + CO_2 \longrightarrow 4Fe_3O_4 + 6SiO_2 + CH_4} \end{array}

3 т.

б)

\begin{array}{l} \mathrm{2Mg_2SiO_4 + 3H_2O \longrightarrow Mg_3Si_2O_5(OH)_4 + Mg(OH)_2} \quad + \\ \mathrm{Mg(OH)_2 + CO_2 \longrightarrow MgCO_3 + H_2O} \\ \hline \mathrm{2Mg_2SiO_4 + 3H_2O + CO_2 \longrightarrow Mg_3Si_2O_5(OH)_4 + MgCO_3} \end{array}

3 т.

Когато отношението $w(Fo)/w(Fa) < 70/30$ , отделеният по реакция (1) $\mathrm{SiO_2}$ ще е повече, отколкото може да се свърже по реакция (2) и в продуктите от серпентинизация ще присъства и $\mathrm{SiO_2}$ . Следователно, черен пясък (съдържащ магнетит) се получава, при серпентинизация на оливин, беден на форестрит. 3 т.

Електронен баланс: 3Fe (+2) → 2Fe (+3) + Fe (+2) с отдаване на 2e; H₂O → H₂ + O (−2) с приемане на 2e; множители 1, 1 и 2, 2 в две колони.

Оригинал в Архива: Problems.pdf · официални решения: Solutions.pdf