Question

Наноматериал в виде волокон (нитей) можно получать из воздуха. Для этого один из его компонентов растворяют в расплавленной смеси, состоящей из соли и оксида одного и того же металла (соль содержит 18.9% металла по массе, а оксид – 46.7% металла), добавляют следовые количества никеля и подвергают расплав электролизу со стальным катодом и никелевым анодом. Подбирая условия электролиза (концентрацию соли в оксида, плотность тока и количества примесей), можно получить материал, состоящий из прямых нитей, почти одинаковых по ширине. Вопросы: 1) Установите формулы газа, оксида и соли, используемых в эксперименте. Ответ подтвердите расчетами. 2) Напишите уравнения катодного и анодного процесса, а также суммарное уравнение реакции, если известно, что анод в реакции не вступал. 3) Оцените средний диаметр нанонитей.

Answer 1

Реакционные свойства оксидов 
■ Оснόвные оксиды реагируют: 
   ‒ с кислотами (результат реакции ‒ соль и вода): 
       Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O 
       FeO + H2SO4 = FeSO4 + H2O 
       CuO + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + H2O 
   ‒ с кислотными оксидами (результат реакции ‒ соль): 
       CaO + CO2 = CaCO3 
       SiO2 + CaO = CaSiO3 
       K2O + Cr2O3 to= 2KCO2 
   ‒ с амфотерными оксидами (результат реакции ‒ соль): 
       Li2O + Al2O3 = 2LiAlO2 
   ‒ (оксиды щелочных и щелочноземельных металлов) с водой (реакция гидратации) : 
       CaO + H2O = Ca(OH)2 [результат реакции ‒ оснόвной гидроксид ‒ основание] 
■ Кислотные оксиды реагируют: 
   ‒ с основаниями (щелочами) (результат реакции ‒ соль и вода): 
       2NaOH + SiO2 = Na2SiO3 + H2O 
       SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O 
   ‒ с оснόвными оксидами (результат реакции ‒ соль): 
       SiO2 + CaO = CaSiO3 
       CaO + CO2 = CaCO3 
       K2O + Cr2O3 to= 2KCO2 
   ‒ с амфотерными осидами (результат реакции ‒ соль): 
       Al2O3 + 3SO3 = Al2(SO4) 3 
   ‒ с водой (образуются соответствующие кислородсодержащие кислоты): 
       SO2 + H2O = H2SO3 
       SO3 + H2O = H2SO4 
       CO2 + H2O = H2CO3 
■ Амфотерные оксиды реагируют: 
   ‒ с оснόвными и кислотными оксидами: 
       ZnO + CaO = CaZnO2 
       ZnO + SiO2 = ZnSiO3 
   ‒ с сильными кислотами (результат реакции ‒ соль и вода);     в реакции проявляются оснόвные свойства этих оксидов: 
       ZnO + 2HCl = ZnCl2 + H2O 
       Al2O3 + 3H2SO4 = Al2 (SO4)3 + 3H2O 
   ‒ с сильными основаниями (щелочами) (результат реакции ‒ соль и вода);     в реакции проявляются кислотные свойства этих оксидов: 
       Al2O3 + 2NaOH to= 2NaAlO2 + H2O 
       ZnO + 2KOH to= K2ZnO2 + H2O 
С водными растворами щелочей амфотерные оксиды образуют комплексные соединения: 
       Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4] 

Примечание. Некоторые оксиды в реакции с водой дают 2 кислоты сразу: 
       2N+4O2 + H2O → HN+3O2 + HN+5O3, а со щелочами - 2 соли: 
       2NO2 + 2KOH → KNO2 + KNO3 + H2O

Answer 2

Давайте разберем ваш вопрос по частям.

1) Формулы газа, оксида и соли:

По условию задачи, компоненты растворяют в расплавленной смеси, состоящей из соли и оксида одного и того же металла. Пусть металл обозначается M.

- Газ: Из условия неясно, какой именно газ образуется в результате электролиза. Предположим, что это кислород, так как обычно при электролизе воды выделяется кислород. Таким образом, газ - \(O_2\). - Оксид: \(M_xO_y\), где x и y - стехиометрические коэффициенты, которые нужно определить. Известно, что оксид содержит 46.7% металла по массе. Пусть x будет 1, тогда \(M_xO_y\) превращается в \(MO_y\). Уравнение на массовую долю металла в оксиде:

\[\frac{M}{M+16} = 0.467\]

Решив это уравнение, найдем x и y.

- Соль: \(M_yX\), где X - анион. Известно, что соль содержит 18.9% металла по массе. Уравнение:

\[\frac{M}{M+X} = 0.189\]

Решив это уравнение, найдем X.

2) Уравнения катодного, анодного и суммарного процессов:

- Катодный процесс: Электролиз воды приводит к выделению водорода на катоде. Уравнение: \(2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^-\)

- Анодный процесс: Если анод не вступает в реакцию (что иногда бывает при электролизе воды), то \(4OH^- \rightarrow O_2 + 2H_2O + 4e^-\)

- Суммарное уравнение: Сложим катодное и анодное уравнения, учтя, что 4 молекулы OH^- в анодном уравнении компенсируются 2 молекулами воды в катодном: \(2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2\)

3) Оценка среднего диаметра нанонитей:

Из условия не предоставлено достаточно данных для оценки среднего диаметра нанонитей. Нам нужны дополнительные параметры, такие как концентрация соли в оксиде, плотность тока и количество примесей. Если у нас будут эти данные, мы можем использовать соответствующие формулы и уравнения для оценки диаметра нанонитей, возникающих в результате электролиза.

Пожалуйста, предоставьте дополнительные данные, и я буду рад помочь вам дальше.