Jernutvinning, korrosjon og permanganattitrering av jernlegering

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Jern er det teknisk og økonomisk viktigste metallet. Kunnskapen om hvordan man utvinner jern, ble utviklet for over 3000 år siden.

For hånd

Viktige jernforbindelser til utvinning av jern er $F e_{2} O_{3}$ , $F e_{3} O_{4}$ og $F e C O_{3}$ . Hva er oksidasjonstallet til jern i disse forbindelsene?

For hånd

Det aller meste av jernet produseres i spesielle ovner. Jern og koks (karbon, C) mates lagvis ovenfra, og trykkluft tilsettes nedenfra. Dette er en sentral reaksjon:

F e_{2} O_{3} + C O \to F e + C O_{2}

• Balanser reaksjonslikningen. • Hva er reduksjonsmiddel?

For hånd

Gjenstander av jern må beskyttes mot korrosjon (rusting). Forklar kort to måter å beskytte jern mot korrosjon på.

Kalkulator

Prosentandelen jern i en type legering skal bestemmes. $2,79 g$ av legeringen blir løst i $3 m o l / L$ svovelsyre, $H_{2} S O_{4} (a q)$ . Da oksideres jernmetall til jern(II)-ioner. Løsningen blir fortynnet med vann til $500 m L$ . Dette er prøveløsningen. $25,0 m L$ av prøveløsningen blir overført til en kolbe, tilsatt svovelsyre og titrert med $0,0200 m o l / L$ $K M n O_{4}$ . Den balanserte reaksjonslikningen for reaksjonen i kolben skrives slik:

M n O_{4}^{-} + 5 F e^{2 +} + 8 H^{+} \to M n^{2 +} + 5 F e^{3 +} + 4 H_{2} O

Det går med $20,0 m L$ permanganatløsning før endepunktet for titreringen er nådd. Finn masseprosenten jern i legeringen.

For hånd

Når jernlegeringen løses opp, vil en del $F e^{2 +}$ -ioner reagere videre til $F e^{3 +}$ -ioner. Ved dråpevis tilsetning av en løsning av $S n^{2 +}$ blir $F e^{3 +}$ redusert tilbake til $F e^{2 +}$ . Forklar hvordan den beregnede massprosenten av jern i legeringen blir påvirket dersom • det blir tilsatt for mye $S n^{2 +}$ til prøveløsningen. • det ikke blir tilsatt $S n^{2 +}$ i det hele tatt.

Fasit

$F e_{2} O_{3}$ : $+ 3$ , $F e_{3} O_{4}$ : $+ \frac{8}{3}$ i gjennomsnitt (ett $Fe$ med $+ 2$ og to med $+ 3$ ), $F e C O_{3}$ : $+ 2$

$F e_{2} O_{3} + 3 C O \to 2 F e + 3 C O_{2}$ . Reduksjonsmiddelet er $CO$ .

For eksempel overflatebehandling (maling, olje, plast) og galvanisering eller offeranode med sink.

$80,1 %$

For mye $S n^{2 +}$ gir for høy masseprosent. Uten $S n^{2 +}$ blir masseprosenten for lav.

LøsningsforslagKI-generert

Oksygen har oksidasjonstall $- 2$ .

I $F e_{2} O_{3}$ er summen for oksygen $3 \cdot (- 2) = - 6$ . Da har hvert jernatom oksidasjonstall $+ 3$ .

I $F e_{3} O_{4}$ er summen for oksygen $- 8$ . Tre jernatomer deler $+ 8$ , som gir $+ \frac{8}{3}$ i gjennomsnitt. Forbindelsen inneholder ett $F e^{2 +}$ og to $F e^{3 +}$ ( $F e O \cdot F e_{2} O_{3}$ ).

$F e C O_{3}$ består av $F e^{2 +}$ og $C O_{3}^{2 -}$ . Jern har oksidasjonstall $+ 2$ .

Jern går fra $+ 3$ til $0$ og tar opp 3 elektroner per atom, altså 6 elektroner per $F e_{2} O_{3}$ . Karbon går fra $+ 2$ i $CO$ til $+ 4$ i $C O_{2}$ og gir fra seg 2 elektroner. Vi trenger derfor 3 $CO$ per $F e_{2} O_{3}$ :

F e_{2} O_{3} + 3 C O \to 2 F e + 3 C O_{2}

Kontroll: 2 Fe, 3 C og 6 O på hver side.

$CO$ blir oksidert og gir elektroner til jern. $CO er reduksjonsmiddel.$

Jern ruster når det er i kontakt med både oksygen og vann.

Overflatebehandling. Jernet dekkes med maling, olje, lakk eller plast. Da kommer ikke vann og oksygen til metallet.

Katodisk beskyttelse med sink. Jernet dekkes med et lag sink (galvanisering), eller en offeranode av sink eller magnesium kobles til jernet. Sink er et mindre edelt metall enn jern: $E^{\circ} (Z n^{2 +} / Z n) = - 0,76 V$ mot $E^{\circ} (F e^{2 +} / F e) = - 0,45 V$ . Sink blir derfor oksidert i stedet for jern, også der sinklaget har fått riper.

Stoffmengde permanganat brukt i titreringen:

n (M n O_{4}^{-}) = 0,0200 m o l / L \cdot 0,0200 L = 4,00 \cdot 10^{- 4} m o l

Etter reaksjonslikningen reagerer 5 mol $F e^{2 +}$ med 1 mol $M n O_{4}^{-}$ :

n (F e^{2 +}) = 5 \cdot 4,00 \cdot 10^{- 4} m o l = 2,00 \cdot 10^{- 3} m o l i 25,0 m L

Prøveløsningen er $500 m L$ , altså 20 ganger så mye:

n (Fe) = 20 \cdot 2,00 \cdot 10^{- 3} m o l = 0,0400 m o l

Massen av jern, med $M (Fe) = 55,85 g / m o l$ :

m (Fe) = 0,0400 m o l \cdot 55,85 g / m o l = 2,234 g

Masseprosent jern:

\frac{2,234 g}{2,79 g} \cdot 100 % = 80,1 %

Titreringen måler bare $F e^{2 +}$ . Beregningen antar at alt jernet foreligger som $F e^{2 +}$ .

For mye $S n^{2 +}$ . Overskuddet av $S n^{2 +}$ er også et reduksjonsmiddel. Det reagerer med permanganat, fordi $E^{\circ} (M n O_{4}^{-} / M n^{2 +}) = 1,51 V$ er mye høyere enn $E^{\circ} (S n^{4 +} / S n^{2 +}) = 0,15 V$ :

\begin{matrix} 2 M n O_{4}^{-} + 5 S n^{2 +} + 16 H^{+} \\ \to 2 M n^{2 +} + 5 S n^{4 +} + 8 H_{2} O \end{matrix}

Det går med mer permanganat enn jernet alene krever. Vi regner dette om til jern, så den beregnede masseprosenten blir for høy.

Ingen $S n^{2 +}$ . Den delen av jernet som er oksidert til $F e^{3 +}$ , reagerer ikke med permanganat. Det går med for lite permanganat, og den beregnede masseprosenten blir for lav.

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 H2023. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Tabeller og formler i kjemi

Oppgavedata

Hentet fra: Kjemi 2 H2023, del 2, oppgave 5
Del: Del 2, alle hjelpemidler — les om hjelpemidler
Hjelpemidler: Kalkulator
CAS
Graftegner og regneark
Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kategori: 2
Vanskegrad: 2
Temaer: Oksidasjonstall, Korrosjon, Titrering, Usikkerhet og feilkilder

Jernutvinning, korrosjon og permanganattitrering av jernlegering

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Jernutvinning, korrosjon og permanganattitrering av jernlegering

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Jernutvinning, korrosjon og permanganattitrering av jernlegering

Jernutvinning, korrosjon og permanganattitrering av jernlegering

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer