Titan fra ilmenitt og titrering av titan(IV)oksid med permanganat

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

Titan er sterkt, lett og motstandsdyktig mot korrosjon. Titan brukes alene eller i legeringer til blant annet romraketter, fly, verktøy og klokker.

For hånd

Bestem oksidasjonstallet til titan i forbindelsen $K T i O (P O_{4})$ .

Titan kan framstilles i tre trinn fra mineralet ilmenitt, $F e T i O_{3}$ , slik reaksjonsligningene under viser:

\begin{matrix} F e T i O_{3} + C & \to F e + T i O_{2} + C O & (1) \\ T i O_{2} + 2 C l_{2} + 2 C & \to T i C l_{4} + 2 C O & (2) \\ T i C l_{4} + 2 M g & \to T i + 2 M g C l_{2} & (3) \end{matrix}

Jern har oksidasjonstall +II i ilmenitt.

For hånd

Finn reduksjonsmiddel i reaksjon (1).
Finn oksidasjonsmiddel i reaksjon (2).

Kalkulator

Magnesiummetall, $M g (s)$ , til reaksjon (3) framstilles fra magnesiumklorid, $M g C l_{2} (l)$ , ved smelteelektrolyse. I en elektrolyse ble det framstilt $45,6 g$ magnesium i løpet av $3,5$ timer. Beregn strømstyrken.

Titan(IV)oksid, $T i O_{2}$ , brukes blant annet i salver, maling og tannkrem. For å finne innholdet av dette stoffet i en prøve ble titan(IV)oksid først redusert til $T i^{3 +}$ -ioner og deretter titrert med kaliumpermanganat, $K M n O_{4}$ , i sur løsning.

Halvreaksjonene som skjer i titreringskolben, er:

\begin{matrix} T i^{3 +} (a q) + H_{2} O (l) & \to T i O^{2 +} (a q) + 2 H^{+} (a q) + e^{-} & E^{\circ} & = - 0,1 V \\ M n O_{4}^{-} (a q) + 8 H^{+} (a q) + 5 e^{-} & \to M n^{2 +} (a q) + 4 H_{2} O (l) & E^{\circ} & = + 1,68 V \end{matrix}

For hånd

Bruk halvreaksjonene, og skriv den balanserte reaksjonsligningen for reaksjonen som skjer i titreringskolben.
Forklar at reaksjonen er spontan.

Kalkulator

En prøve veier $1,00 g$ . Prøven ble behandlet som beskrevet i d). Den ble titrert med $0,0200 m o l / L$ $K M n O_{4} (a q)$ . Det gikk med $14,7 m L$ kaliumpermanganat før endepunktet for titreringen var nådd. Beregn det prosentvise innholdet av titan(IV)oksid i prøven.

Fasit

Titan har oksidasjonstall $+ IV$

Reduksjonsmiddel i (1): $C$ . Oksidasjonsmiddel i (2): $C l_{2}$

$I = 28,7 A$

$5 T i^{3 +} + M n O_{4}^{-} + H_{2} O \to 5 T i O^{2 +} + M n^{2 +} + 2 H^{+}$ , og $E^{\circ} (celle) = 1,58 V$ er positiv, så reaksjonen er spontan

$11,7 %$ titan(IV)oksid

LøsningsforslagKI-generert

Kalium har oksidasjonstall $+ I$ , oksidionet $- II$ og fosfationet $P O_{4}^{3 -}$ har samlet ladning $3 -$ . Summen av oksidasjonstallene i en nøytral forbindelse er null. Vi kaller oksidasjonstallet til titan for $x$ :

(+ 1) + x + (- 2) + (- 3) = 0

x = + 4

Titan har altså oksidasjonstall $+ IV$ .

I reaksjon (1) går karbon fra $0$ i $C$ til $+ II$ i $CO$ . Karbon blir oksidert, og er derfor $reduksjonsmidlet$ . Samtidig blir jern redusert fra $+ II$ til $0$ . Titan beholder $+ IV$ , og oksygen $- II$ .

I reaksjon (2) går klor fra $0$ i $C l_{2}$ til $- I$ i $T i C l_{4}$ . Klor blir redusert, og $C l_{2}$ er derfor $oksidasjonsmidlet$ . Karbon blir oksidert fra $0$ til $+ II$ .

Ved katoden blir magnesiumioner redusert til magnesium:

M g^{2 +} (l) + 2 e^{-} \to M g (l)

Vi finner stoffmengden magnesium:

n (Mg) = \frac{45,6 g}{24,31 g / m o l} = 1,876 m o l

Det går med to elektroner per magnesiumatom:

n (e^{-}) = 2 \cdot 1,876 m o l = 3,752 m o l

Ladningen som har gått gjennom cellen, finner vi med Faradays konstant $F = 96485 C / m o l$ fra vedlegget:

Q = n (e^{-}) \cdot F = 3,752 m o l \cdot 96485 C / m o l = 3,620 \cdot 10^{5} C

Elektrolysetiden er $t = 3,5 \cdot 3600 s = 12600 s$ . Da blir strømstyrken:

I = \frac{Q}{t} = \frac{3,620 \cdot 10^{5} C}{12600 s} = 28,7 A

Oksidasjonen avgir ett elektron, mens reduksjonen tar opp fem. Vi ganger derfor oksidasjonen med $5$ :

\begin{matrix} 5 T i^{3 +} (a q) + 5 H_{2} O (l) \\ \to 5 T i O^{2 +} (a q) + 10 H^{+} (a q) + 5 e^{-} \\ M n O_{4}^{-} (a q) + 8 H^{+} (a q) + 5 e^{-} \\ \to M n^{2 +} (a q) + 4 H_{2} O (l) \end{matrix}

Vi adderer halvreaksjonene. Elektronene faller bort, og vi stryker $8 H^{+}$ og $4 H_{2} O$ på hver side:

\begin{matrix} 5 T i^{3 +} (a q) + M n O_{4}^{-} (a q) + H_{2} O (l) \\ \to 5 T i O^{2 +} (a q) + M n^{2 +} (a q) + 2 H^{+} (a q) \end{matrix}

Ladningen er $+ 14$ på begge sider, og antall atomer stemmer.

Halvreaksjonen for titan er skrevet som en oksidasjon. Reduksjonspotensialet for $T i O^{2 +} / T i^{3 +}$ er derfor $+ 0,1 V$ . Permanganat har det høyeste reduksjonspotensialet og blir redusert ved katoden:

\begin{matrix} E^{\circ} (celle) & = E^{\circ} (katode) - E^{\circ} (anode) \\ = 1,68 V - 0,1 V = 1,58 V \end{matrix}

Cellepotensialet er positivt. Da er $Δ G^{\circ} = - n F E^{\circ} (celle) = - 762 k J$ , altså negativ, og reaksjonen er spontan.

Merknad: vedlegget oppgir $E^{\circ} = 1,51 V$ for $M n O_{4}^{-} + 8 H^{+} + 5 e^{-}$ , mens oppgaven bruker $1,68 V$ . Med tabellverdien blir $E^{\circ} (celle) = 1,41 V$ , og konklusjonen den samme.

Vi finner stoffmengden permanganat som gikk med:

n (M n O_{4}^{-}) = 0,0200 m o l / L \cdot 0,0147 L = 2,94 \cdot 10^{- 4} m o l

Av likningen i d) reagerer $T i^{3 +}$ og $M n O_{4}^{-}$ i forholdet $5 : 1$ . Alt titan i prøven kom fra $T i O_{2}$ , så stoffmengden titan(IV)oksid er den samme som stoffmengden $T i^{3 +}$ :

n (T i O_{2}) = 5 \cdot 2,94 \cdot 10^{- 4} m o l = 1,47 \cdot 10^{- 3} m o l

Molar masse er $M (T i O_{2}) = 47,87 + 2 \cdot 16,00 = 79,87 g / m o l$ :

m (T i O_{2}) = 1,47 \cdot 10^{- 3} m o l \cdot 79,87 g / m o l = 0,1174 g

masseprosent T i O_{2} = \frac{0,1174 g}{1,00 g} \cdot 100 % = 11,7 %

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 H2020. 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 H2020, 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, Redoksreaksjoner, Elektrolyse, Titrering

Titan fra ilmenitt og titrering av titan(IV)oksid med permanganat

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Titan fra ilmenitt og titrering av titan(IV)oksid med permanganat

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Titan fra ilmenitt og titrering av titan(IV)oksid med permanganat

Titan fra ilmenitt og titrering av titan(IV)oksid med permanganat

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer