|
|
Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате
9 класс
ЗАДАЧА 1
В некоторых вариантах Периодической таблицы символ элемента водорода размещен одновременно в I и VII группах.
1. Докажите, что водород - элемент I группы (нетипичный, как самый первый в группе). Приведите три уравнения реакций.
2. Докажите, что водород - элемент VII группы (нетипичный, как самый первый в группе). Приведите три уравнения реакций.
1. Если исходить из числа валентных электронов атома водорода (1), то водород должен находиться в I группе Периодической таблицы. Например, он реагирует с галогенами подобно щелочным металлам:
H2 + Cl2 = 2HСl, 2Li + Cl2 = 2LiCl
В водных растворах многие соединения водорода диссоциируют подобно соединениям щелочных металлов:
HCl H+ + Cl-, LiCl Li+ + Cl-
Водород соответствует некоторым закономерностям в изменении свойств элементов I группы - в ней сверху вниз уменьшается энергия ионизации (у водорода она самая большая), увеличивается радиус атома (у водорода он самый маленький), возрастает химическая активность элементов в свободном состоянии (водород наименее активный).
В то же время водород отличается от щелочных металлов существенно более высокой энергией ионизации (отрыва электрона) - 1312 кДж/моль у водорода и 520 кДж/моль у лития.
2. Поскольку для завершения внешнего электронного слоя атому водорода не хватает одного электрона, то водород следует поместить в VII группу (галогены). Присоединение второго электрона к атому водорода сопровождается выделением энергии - около 72 кДж/моль, поэтому для водорода, как и для галогенов, характерно образование ионных соединений со щелочными и щелочноземельными металлами - гидридов:
Ca + H2 = CaH2 , Ca + Cl2 = CaCl2
Однако если в ряду галогенов выделение энергии при присоединении к атому одного электрона (сродство к электрону) уменьшается от фтора к иоду, то у водорода эта энергия меньше, чем даже у иода (318 кДж/моль).
Гидриды щелочных металлов в отличие от галогенидов легко разлагаются водой:
LiH + H2O = LiOH + H2
ЗАДАЧА 2
На Международном конгрессе химиков в 1860 году было принято следующее определение: "Молекула - это наименьшее количество вещества, участвующее в реакции". В настоящее время удается получить молекулярный хлорид натрия - в виде отдельных молекул, изолированных в твердом аргоне при температуре около 10 К (- 263?С).
1. Как может отличаться химическая активность молекулярного и кристаллического хлорида натрия в реакциях без участия растворителей (при одинаковых условиях)?
2. Каковы возможные причины такого отличия?
1. Молекулярный хлорид натрия должен быть гораздо более химически активным веществом, чем кристаллический, - недаром его так трудно получить.
2. Когда в реакцию вступает кристаллический хлорид натрия, то сразу реагируют не все ионы натрия и хлора, а лишь те, которые находятся на поверхности кристалла. Молекулярный хлорид натрия реагирует сразу весь, поэтому его реакции происходят быстрее.
Кроме того, в кристаллическом хлориде натрия каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора (и, наоборот, каждый ион хлора окружен шестью ионами натрия), поэтому степень переноса электрона с натрия на хлор достаточно велика. В молекулярном хлориде натрия возможна меньшая степень переноса электрона от одного атома натрия на один атом хлора, то есть молекулярный хлорид натрия - соединение скорее не с ионной связью, а с ковалентной полярной.
ЗАДАЧА 3
Реальная история. Маститый немецкий профессор на открытом уроке рассказывал школьникам, как рассчитывать массовые доли элементов в соединениях. В качестве примера он объяснил, почему массы кислорода и серы в любом количестве оксида серы (IV) равны. Школьники выслушали его с огромным интересом, а затем спросили: "Нам говорили, что химия - экспериментальная наука. Как мы можем проверить, что массы кислорода и серы в SO2 равны?" Профессор подумал несколько секунд и сказал: "Вы знаете, так с ходу это трудно решить. Вот если бы вы спросили насчет массовой доли меди в CuSO4 , то ее определить легко".
1. Помогите профессору. Предложите по возможности наиболее простые методы экспериментального определения массовой доли меди в CuSO4 и серы в SO2 .
2. Напишите формулы двух бинарных (то есть образованных ровно двумя элементами) соединений, в которых массовые доли элементов равны.
1. Массовую долю меди в CuSO4 можно определить, прокалив это вещество и восстановив получившийся оксид меди (II) до меди:
CuSO4 CuO + SO2 + 1/2O2 ,
CuO + CO Cu + CO2
Массовую долю серы в SO2 можно определить, осуществив следующую последовательность превращений: SO2 BaSO3 BaS H2S S:
SO2 + Ba(OH)2 = BaSO3+ + H2O,
BaSO3 + 3C = BaS + 3CO? (при прокаливании),
BaS + 2HCl = BaCl2 + H2S?,
H2S + Br2 = S+ + 2HBr
2. Соединения с почти равными массовыми долями элементов - сульфид молибдена (VI) MoS3 и тяжелый метан CT4 (T - тритий, 3H).
ЗАДАЧА 4
В 1676 году Р. Бойль провел следующий опыт: он взвесил запаянную реторту с порошком металла, нагрел ее, потом охладил до исходной температуры, вскрыл и взвесил снова. На основании этого опыта Р. Бойль сделал вывод, что при нагревании огненная материя проникает через стенки реторты и "... что части огня и пламени могут становиться устойчивыми и весомыми". В 1756 году М.В. Ломоносов повторил опыт Бойля с некоторыми изменениями и сделал вывод, "... что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо..."
1. Какую ошибку совершил Р. Бойль?
2. Как М.В. Ломоносов изменил опыт Р. Бойля?
3. К каким выводам пришел М.В. Ломоносов в результате проведенных опытов?
4. Вычислите массу огненной материи, которая, согласно Р. Бойлю, проникла во время нагревания в реторту объемом 5 л (запаянную при н. у.), содержащую 4 г порошка железа.
1. Р. Бойль взвешивал реторту после вскрытия, когда в нее вошел воздух взамен поглотившегося во время прокаливания кислорода.
2. М.В. Ломоносов взвешивал реторту до вскрытия.
3. М.В. Ломоносов сделал следующие выводы:
а) "Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойла мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере", то есть Ломоносов понял, что если не вскрывать реторту и не впускать в нее воздух, то ее масса не изменится.
б) данный опыт позволил М.В. Ломоносову сформулировать закон сохранения массы веществ при химических реакциях.
4. В реторте содержится 5/22,4 = 0,223 моля воздуха, или 0,223 " 0,2 = 0,045 моля O2 и 4/56 = 0,07 моля железа. С данным количеством железа может прореагировать как минимум 0,035 моля кислорода (с образованием FeO) и как максимум 0,053 моля кислорода (с образованием Fe2O3). Следовательно, в данном случае кислород прореагирует весь, причем образуется смесь оксидов железа. Прибавка в массе реторты после вскрытия будет равна массе прореагировавшего кислорода 0,045 " 32 = 1,44 г.
ЗАДАЧА 5
Образец металла А массой 1,00 г измельчили в атмосфере аргона и прилили к нему (в той же аргоновой камере) 1,29 мл тяжелой жидкости В. Произошла бурная химическая реакция, сопровождающаяся сильным разогреванием. Полученный твердый продукт С медленно реагирует с водой с выделением газа. Если внести в избыток воды 18,44 г вещества С, то при н.у. выделяется 0,487 л газа и образуется 17,44 г нерастворимого остатка - вещества В.
1. Определите вещества А и В.
2. Напишите формулу вещества С. Как называются вещества, подобные С?
3. Как используется вещество С в производстве металла А?
1. Из условия следует, что вещество В - тяжелая, нерастворимая в воде жидкость. При этом из 18,44 г вещества С образуется 17,44 г вещества (жидкости) В. Оставшийся 1 г приходится на активный металл А, вошедший в состав вещества С. Тогда получается, что 1,29 мл жидкости В имеют массу 17,44 г. Плотность этой жидкости 17,44/1,29 = 13,52 г/мл, что соответствует ртути. Итак, вещество В - ртуть.
Со многими металлами ртуть образует сплавы - амальгамы, которые могут быть твердыми при комнатной температуре. Известно, что 1 г металла А может в составе амальгамы реагировать с водой с выделением 0,487 л (0,0217 моль) газа - водорода (другие газы при реакции металла или сплава с водой не могут выделяться). Тогда получается, что одному молю водорода H2 соответствует 46 г металла А. Из металлов, реагирующих с водой даже в составе сплава, подходит натрий. Металл А - натрий.
2. В веществе С - амальгаме натрия - на 1 г натрия приходится 17,44 г ртути. Тогда 23 г натрия в С соответствует 17,44 " 23 = 401,1 г ртути, или 2 моля. Данная амальгама соответствует формуле NaHg2 . Амальгаму этого состава нельзя рассматривать просто как сплав, хотя бы потому, что при ее образовании выделяется энергия; кроме того, она обладает высокой температурой плавления: + 354?С (чистый натрий плавится при + 98?, а чистая ртуть - при - 39?С).
3. В одном из способов производства металлического натрия использовался электролиз водного раствора хлорида натрия с ртутным катодом (отрицательным электродом). При этом натрий не успевал вновь прореагировать с водой. В настоящее время электролизом раствора хлорида натрия с ртутным катодом получают хлор и гидроксид натрия.
ЗАДАЧА 6
При пропускании V литров газа А (плотность по водороду 38,3) через стеклянную трубку, нагретую до красного каления, образовалось блестящее, красное в прозрачном слое металлическое зеркало (Б) и 2V литров газа В, хорошо растворимого в титане. При пропускании газа А через водный раствор AgNO3 выпадает осадок Г.
1. Определите вещества А-Г.
2. Напишите уравнения реакций.
1. Исходя из данной плотности по водороду определяем молярную массу А: М(А) = 38,3 " 2 = = 76,6 г/моль. Хорошо растворимый в титане газ В - водород. Тогда газ А - гидрид, разлагающийся при нагревании с выделением водорода:
ЭНх Э + (х /2)Н2
Исходя из того, что один объем А дает два объема водорода, x = 4, то есть Б - элемент IV группы:
ЭН4 Э + 2Н2 ,
М(Б) =76,6 - 4 =72,6 г/моль, следовательно, Б = = Ge - германий.
2. Уравнения реакций:
GeH4 Ge + 2H2 ,
GeH4 + 4AgNO3 GeAg4+ + 4HNO3
Вещество Г - GeAg4 . На основании приведенных реакций в начале XX века была установлена формула гидрида германия GeH4 .
ЗАДАЧА 7
В вашем распоряжении имеются следующие вещества: газы - CO2 , H2S, N2O; жидкости - CS2 , H2O, HNO3 , H2SO4 , CH3COOH; металлы - Au, Ni, Cu, Pt. Предложите по возможности наиболее короткий способ синтеза метана (CH4) с использованием любых из перечисленных веществ (можно использовать не более пяти стадий).
Подсказка: этот способ был открыт французским химиком М. Бертло. Перечисленные вещества находились в его лаборатории.
Из перечисленных в условии веществ для получения метана нужны только три: H2S, CS2 и Cu. Пропуская смесь паров CS2 и H2S над раскаленной медью М. Бертло в 1853 году получил метан:
CS2 + 2H2S + 8Cu = 4Cu2S + CH4?
ЗАДАЧА 8
Содержание хлорид-ионов в питьевой воде - важный показатель, говорящий о ее качестве. На станциях, где готовят питьевую воду, содержание хлорид-ионов ежедневно контролируют. По стандартной методике, обязательной к применению на всех станциях водоподготовки, хлорид-ионы титруют раствором нитрата ртути (II).
1. На N-й станции водоподготовки определяли хлорид-ионы и выяснили, что их концентрация составляет 7,1 мг/л. Для титрования брали пробы воды по 10 мл и титровали три раза, причем все три раза результаты совпали. Растворы, оставшиеся после титрования, вылили в канализацию. Какой объем воды нужен, чтобы разбавить вылитую ртуть до концентрации ниже предельно допустимой (0,005 мг/л)?
2. Почему хлорид-ионы реагируют с нитратом ртути (II), хотя образующийся хлорид ртути (II) хорошо растворим в воде?
3. Предложите способ вторичного использования ртути, находящейся в отходах после титрования.
4. Как можно определять хлорид-ионы, не используя соединения ртути? Почему все-таки используют соединения ртути?
1. Всего со ртутью прореагировало 7,1(мг/л) i i 0,01(л) " 3 = 0,213 мг хлорид-ионов.
Запишем уравнение реакции:
Hg2 + + 2Cl- = HgCl2
Из него можно вычислить массу ртути, прореагировавшей с хлоридами:
m(Hg2 +) = M (Hg2 +)n(Hg2 +) = M (Hg2 +) " 0,5n(Cl-) =
= M (Hg2 +) " 0,5m(Cl-) / M (Cl-) =
= 201(г/моль) " 0,5 " 0,213(мг)/35,5 = 0,603 мг.
Для того чтобы концентрация ртути не превышала предельно допустимую, эта масса должна быть растворена в 0,603(мг)/0,005(мг/л) = 120 л.
2. Реакция происходит потому, что образующийся HgCl2 - соединение с ковалентными связями и в воде практически не диссоциирует.
3. Один из вариантов - осаждение ртути в виде оксида:
HgCl2 + 2NaOH = HgO+ + 2NaCl + H2O
4. Хлорид-ионы можно титровать нитратом серебра:
Ag+ + Cl- = AgCl+
Однако по двум причинам этот способ менее точен, чем титрование ртути. Во-первых, индикатор на ртуть (дифенилкарбазон) гораздо точнее позволяет определить конечную точку титрования, чем индикатор на серебро (хромат калия). Во-вторых, если в воде растворены органические вещества, а также на свету, хлорид серебра восстанавливается, высвобождая хлорид-ионы:
AgCl + e- = Ag0 + Cl-
Из-за этого результаты титрования могут оказаться завышенными.
ЗАДАЧА 9
Юный химик, забравшись в заброшенную лабораторию, нашел странного вида закрытую пробирку из темного стекла. Повертев ее в руках и не найдя на ней никаких опознавательных знаков, он сунул пробирку в карман. Придя домой, он открыл пробирку и обнаружил жидкость с металлическим блеском.
1. Предложите три вещества, которые могли быть в пробирке.
2. Предложите простые способы определения каждого вещества.
1. В пробирке могли быть ртуть, галлий (и его сплавы), краска типа серебрянки (взвесь алюминиевой пыли в олифе или нитролаке). Жидкий при комнатной температуре сплав натрия с калием вряд ли мог долго сохраниться и достаться юному химику.
2. а) Ртуть - тяжелая, низкозамерзающая жидкость, не взаимодействует с соляной кислотой, образует амальгамы (см. задачу 5, IX класс).
б) Галлий затвердевает при 29?С при помешивании, может образовывать амальгамы.
в) Краски, в данном случае взвеси частиц металла в органических веществах, обладают характерными запахами, при нагревании легко высыхают (полимеризуются, если на олифе), при дальнейшем нагревании обугливаются.
ЗАДАЧА 10
Юный химик нашел металлическую деталь из легкого сплава. Предположив, что это сплав магния и алюминия, он попытался проанализировать состав сплава. Тщательно продумав свои действия, юный химик смог обойтись для анализа только весами, мерными цилиндрами, некоторыми другими простыми приборами. Из реактивов ему понадобилась только соляная кислота. В результате анализа установлено, что сплав состоит в основном из магния (около 90%) с небольшой примесью алюминия.
1. Опишите ход анализа, проведенного юным химиком, и схему его вычислений.
2. Какие качественные и количественные ошибки могут возникнуть при таком анализе?
1. а) Юный химик попытался повторить легендарный анализ Архимеда (золотая корона) путем определения плотности сплава. Найдя с помощью мерного цилиндра (объем) и весов (масса) плотность сплава rэксп , он произвел вычисления на основании известных (из справочников) плотностей. Плотности (20?С): алюминий - 2,698 г/см3; магний - 1,738 г/см3. Приняв за Х массовую долю алюминия, нужно решить уравнение
2,698Х + 1,738(1 - Х ) = rэксп
б) Если юному химику понадобилась соляная кислота, то он воспользовался анализом по однотипной реакции и расчетом на основании системы из двух уравнений с двумя неизвестными. Навеска сплава известной массы m растворена в соляной кислоте, при этом выделилось V1 мл газа:
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2?,
Al + 3HCl = AlCl3 + 1,5H2?
Объем выделившегося газа можно определить, собирая его в цилиндр над водой. Затем, приняв за Х массу алюминия и за Y массу магния в навеске и приведя объем водорода к нормальным условиям (V0), составим систему
Возможно составление и других систем из двух уравнений с двумя неизвестными.
2. а) При анализе по плотности сплава основная причина количественной ошибки заключается в том, что плотность сплава может быть непропорциональна содержанию металлов в нем. Причиной качественной ошибки может быть близкая плотность магния и бериллия (плотность бериллия - 1,848 г/см3). В результате сплав бериллия и алюминия может быть принят за сплав магния и алюминия.
б) Количественная ошибка может возникнуть из-за использования в расчетах объема водорода, найденного экспериментально, а не приведенного к н. у. Качественная ошибка возникнет, если это будет бериллиево-алюминиевый сплав с не очень высоким содержанием бериллия.
ЗАДАЧА 1
Как повлияют на процесс сгорания этилхлорида повышение температуры и давления? Обоснуйте ваш ответ.
Сгорание этилхлорида в атмосфере кислорода протекает по уравнению
C2H5Cl + 3O2 = 2CO2 + 2H2O + HCl + Q
и является в целом необратимым процессом (при взаимодействии продуктов сгорания ни при каких условиях нельзя получить исходные вещества). Применение принципа Ле-Шателье, который используется для анализа смещения химического равновесия, к этому процессу невозможно. При повышении как температуры, так и давления увеличится скорость сгорания.
ЗАДАЧА 2
В романе Жюля Верна "Таинственный остров" герои, попав на необитаемый остров, сумели не только выжить, но и наладили целый ряд химических производств в полупромышленном масштабе. Напишите пять уравнений химических реакций, осуществленных героями этого романа.
В романе Жюля Верна "Таинственный остров" герои под руководством инженера Сайруса Смита осуществили, в частности, синтез нитроглицерина. Для этого им пришлось провести гидролиз жира ламантина щелоком, полученным из древесной золы:
2(C17H35COO)3C3H5 + 3K2CO3 + 3H2O =
= 6C17H35COOK + 2C3H5(OH)3 + 3CO2
(для упрощения принято, что жир млекопитающего состоит из тристеарата, а основой щелока служит карбонат калия).
Азотная кислота была ими получена из природной селитры и серной кислоты:
NaNO3 + H2SO4 HNO3? + NaHSO4 ,
а необходимая серная кислота была получена на базе природных сульфидов железа. Окисление сульфидов влажным воздухом привело к образованию сульфатов железа:
FeS + 2O2 + 7H2O = FeSO4 " 7H2O,
FeS2 + 2O2 + 7H2O = FeSO4 " 7H2O + S,
FeSO4 " 7H2O FeSO4 + 7H2O?,
2FeSO4 Fe2O3 + SO3? + SO2?,
SO3 + H2O = H2SO4
(этот набор уравнений реакций частично схематизирует старинный "нордгаузенский" способ получения "дымящей" серной кислоты). Наконец, взаимодействием глицерина со смесью концентрированных азотной и серной кислот они получили тринитрат глицерина:
C3H5(OH)3 + 3HNO3 C3H5(ONO2)3 + 3H2O
и использовали его для взрывных работ.
ЗАДАЧА 3
Первые электрические лампочки изготавливали с использованием угольной спирали. Позже стали использовать электролампы с вольфрамовой спиралью. Однако недостатком как тех, так и других ламп было то, что в процессе эксплуатации они покрывались изнутри темным налетом, хотя ни углерод, ни вольфрам при температуре накала нити лампы не испаряются. Было установлено, что введение в эти лампы небольшого кристалла иода позволяет не только избежать появления "копоти" в одном из этих типов ламп, но и резко увеличивает срок их жизни.
1. Объясните причины появления темного налета на внутренней поверхности ламп.
2. Объясните влияние иода на эти процессы.
3. Объясните, почему так называемые аргон-криптоновые лампы долговечнее вакуумных электроламп.
1. В вакуумных электролампах всегда остаются очень небольшие количества воздуха, вполне достаточные для частичного окисления нити лампочки:
C + O2 = CO2 + Q,
2W + 3O2 2WO3
Образующийся диоксид углерода восстанавливается на сильно нагретой спирали с образованием монооксида углерода, который на стенках колбы электролампочки, имеющей более низкую температуру, частично разлагается с выделением углерода
CO2 + C 2CO - Q,
при этом осуществляется перенос нелетучего углерода от нити на внутренние стенки лампочки (так называемая транспортная реакция). Возможно, в случае вольфрамовой нити протекает аналогичный процесс и поверхность колбы покрывается налетом непрозрачных вольфрама или его оксидов.
2. Введение внутрь лампы небольших количеств иода приводит к тому, что на стенках лампы вольфрам реагирует с парами иода с образованием летучих иодидов вольфрама, которые разлагаются на сильно нагретой вольфрамовой нити, осуществляя обратный "транспорт" вольфрама, причем эти процессы разложения в большей степени протекают на наиболее тонких и поэтому наиболее сильно нагретых участках вольфрамовой нити, что ведет к увеличению срока службы лампы. Углерод в отличие от вольфрама не реагирует с иодом, и обратного переноса углерода не происходит.
3. Введение внутрь лампы благородного газа (аргон-криптоновые смеси) снижает концентрацию остаточного кислорода и замедляет реакцию окисления нити.
ЗАДАЧА 4
Во второй половине XIX века русский химик Н.Н. Бекетов предложил способ получения металлического рубидия. Для этого он нагревал в железном цилиндре, снабженном трубкой-холодильником и приемником, смесь гидроксида рубидия и порошкообразного алюминия. Из записей Н.Н. Бекетова: "Рубидий гонится постепенно, стекая, как ртуть, и сохраняя свой металлический блеск вследствие того, что снаряд во время операции наполнен водородом".
1. Напишите уравнение реакции, осуществленной Н.Н. Бекетовым.
2. В знакомом вам ряду напряжений металлов рубидий стоит намного левее алюминия. Как можно объяснить протекание этой реакции?
3. Можно ли применить этот процесс для получения металлического лития?
1. Реакция восстановления рубидия алюминием при сплавлении приводит к образованию паров относительно легколетучего щелочного металла и одновременному образованию алюмината рубидия (в реакционной смеси имеется избыток щелочи) с выделением водорода:
2RbOH + Al = Rb + RbAlO2 + H2?
2. Электрохимический ряд активности металлов построен по величинам значений окислительно-восстановительных потенциалов для водных растворов, которые включают в энергетические расчеты не только энергии ионизации атомов, но и энергетику гидратации ионов и образования молекул Н2 . Термическое восстановление натрия, калия, рубидия оказывается возможным из-за удаления паров более летучего, чем алюминий, щелочного металла из равновесной смеси.
Суммарное уравнение приведенного выше процесса включает промежуточные реакции: 1) отщепление воды от гидроксида; 2) реакция воды с алюминием; 3) образование метаалюмината из щелочи и оксида алюминия. Реакция между гидроксидом рубидия и алюминием в водном растворе описывается суммарным уравнением
2RbOH + 2Al + 6H2O = 2Rb[Al(OH)4] + 3H2
3. Для получения металлического лития такой метод непригоден как из-за значительно более высокой температуры кипения этого металла, так и из-за его взаимодействия в трубке-холодильнике с водородом, которое протекает значительно легче, чем у других щелочных металлов:
2Li + H2 = 2LiH
ЗАДАЧА 5
Для определения кислотно-основного характера растворов обычно используют индикаторы. Классическим индикатором, упоминаемым во всех учебниках, является лакмус - экстракт некоторых видов лишайников, растущих в Индии.
1. Какой окраской обладает лакмус в кислой, нейтральной и щелочной среде?
2. Экстракты каких растений, более доступных, чем индийские лишайники, могут заменить лакмус? Ответ можете подтвердить вашими экспериментальными исследованиями. Докажите при этом обратимость переходов окраски в кислой и щелочной средах и укажите наблюдавшиеся вами цветовые переходы.
3. Могут ли неорганические, достаточно распространенные соединения выполнять роль индикаторов? Ответ мотивируйте.
4. Какую окраску будут иметь растворы, полученные при добавлении раствора лакмуса к растворам медного купороса, хромовокалиевых квасцов и жавелевой воде?
1. Лакмус в кислой среде имеет красную окраску, в щелочной - синюю, а в нейтральной среде, где число частиц, определяющих красную и синюю окраску, примерно одинаково, лакмус имеет фиолетовую окраску.
2. Индикаторными свойствами обладают очень многие природные красители, содержащиеся в растениях. Так, синие васильки при изменении кислотности почв часто становятся красными, красящие вещества в листьях чая ослабляют окраску в кислой среде (добавление лимона) и углубляют окраску в слабощелочной среде (добавление питьевой соды). Меняют свою окраску при относительно небольших изменениях кислотности соки свеклы, красного винограда, ежевики и многие другие. В сильно кислой среде окраска часто меняется обратимо, а в щелочной среде изменения иногда становятся необратимыми. Эти процессы довольно сложно описать обычными уравнениями реакций из-за сложности строения красящих веществ растений.
3. Простейшим примером неорганических веществ, обратимо меняющих окраску при изменении кислотности среды, могут служить хромат и дихромат калия:
,
K2Cr2O7 + 2KOH = 2K2CrO4 + H2O
4. Растворы медного купороса и хромовокалиевых квасцов вследствие гидролиза имеют слабокислую реакцию:
Cu(H2O)3(OH)+ + H3O+
или
Cu2 + + H2O Cu(OH)+ + H+,
Cr3 + + H2O Cr(OH)2 + + H+ (упрощенно).
Раствор лакмуса должен был бы показать красную окраску, но дело в том, что сами растворы окрашены и в случае раствора медного купороса окраска раствора станет фиолетовой (физическое сложение красного и синего цветов). Раствор хромовокалиевых квасцов имеет фиолетовый цвет, поэтому изменение окраски лакмуса в этом растворе будет незаметным.
Жавелевая вода, которая образуется при поглощении хлора раствором щелочи, содержит соль слабой хлорноватистой кислоты, которая гидролизована с образованием основания:
ClO- + H2O HClO + OH-,
однако синяя окраска раствора может наблюдаться только в первый момент, так как органические красящие вещества разрушаются под действием сильного окислителя HClO и раствор почти сразу станет бесцветным или слабожелтоватым.
ЗАДАЧА 6
<По сцене расхаживал лектор в зеленом френче и, недовольно поглядывая на дверь, с военной отчетливостью говорил: "По характеру действия боевые отравляющие вещества делятся на удушающие, слезоточивые, общеядовитые, нарывные, раздражающие и так далее. В числе слезоточивых ядовитых веществ можем отметить хлорпикрин, бромистый бензол, бромацетон, хлорацетофенон..." Остап перевел мрачный взгляд с лектора на слушателей. Молодые люди смотрели оратору в рот или записывали лекцию в книжечку. Во втором ряду одиноко сидела девушка спортивного вида. "Хорошая девушка, - решил Остап. - О чем она думает? Уж, наверно, не о бромистом бензоле"> (Ильф и Петров "Золотой теленок", глава 23).
1. Правильно ли лектор назвал слезоточивые ядовитые вещества?
2. Приведите формулы названных веществ.
3. Укажите способы защиты от указанных веществ и методы их дегазации (нейтрализации).
1-2. Название "бромистый бензол" неверно. Бромбензол C6H5Br не обладает слезоточивым действием, и его не называют бромистым бензолом. Лакриматором (слезоточивым веществом) является бромистый бензил C6H5CH2Br - производное толуола. Для остальных веществ даны общеупотребительные (тривиальные) названия:
хлорпикрин: CCl3NO2 - трихлорнитрометан,
бромацетон: CH3COCH2Br - 1-бромпропанон,
хлорацетофенон: C6H5COCH2Cl - a-хлорацетофенон
(после формул приведены систематические или уточненные общепринятые названия).
3. Лучшим способом защиты от слезоточивых веществ служат противогаз или хотя бы плотно прилегающие защитные очки, исключающие попадание паров этих веществ на роговицу глаза. Слезоточивые вещества при обычных условиях представляют собой жидкости или (хлорацетофенон) летучие твердые вещества. Все они легко гидролизуются, и их дегазация на поверхности предметов или на почве может быть проведена действием щелочных или водно-аммиачных растворов, например:
2C6H5CH2Br + Ca(OH)2 =
= 2C6H5CH2OH + CaBr2
ЗАДАЧА 7
В работах участников Соросовских олимпиад можно встретить самые разнообразные уравнения реакций, многие из которых совершенно правильны, а часть не приснится разумному химику даже в самом кошмарном сне...
Ниже приведены несколько уравнений реакций, взятых из работ ваших предшественников. Дайте мотивированный ответ, какие из этих уравнений верны, в каких допущены небольшие погрешности, а какие совершенно неправильны. Для возможных реакций напишите их правильные уравнения. Укажите (под знаком равенства) условия их проведения (раствор, использование нагревания, повышенного давления или катализаторов).
а) Cu + SO4 = CuSO4 ;
б) 2Al + 6HNO3 = Al(NO3)3 + 3H2 ;
в) CuSO4 + Al(OH)3 = Al2(SO4)3 + Cu(OH)2 ;
г) 2AlCl3 + 3K2CO3 = Al2(CO3)3 + 6KCl;
д) 4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O.
а) Оксид серы SO4 не существует, поэтому реакция (а) не имеет смысла. Даже если у символов частиц поставить заряды, предполагая описать процесс кристаллизации сульфата меди из раствора или расплава, уравнение
не будет отвечать реальному процессу, так как сульфат меди разлагается, не плавясь, а из раствора выпадет кристаллогидрат.
б) Азотная кислота при реакциях с металлами, как правило, не выделяет водорода; вместо него образуются продукты восстановления азотной кислоты. Концентрированная азотная кислота пассивирует поверхность алюминия, вызывая утолщение оксидной пленки. Алюминий может реагировать с разбавленной азотной кислотой, образуя наряду с небольшими количествами водорода, преимущественно нитрат аммония:
8Al + 30HNO3 8Al(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O
Уравнение реакции (б) отражает побочную реакцию достаточно активного металла с водой и кислотами, возможную при низкой концентрации нитрат-ионов в сильно разбавленном растворе азотной кислоты:
2Al + 6H2O = 3H2 + 2Al(OH)3 ,
Al(OH)3 + 3HNO3 = Al(NO3)3 + 3H2O
в) В схеме реакции (коэффициенты в уравнении отсутствуют) слева и справа имеются практически нерастворимые соединения: Al(OH)3 и Cu(OH)2 , поэтому реакция происходить не будет. Если к раствору соли алюминия добавить гидроксид меди, то в поверхностном слое могло бы начаться частичное превращение Cu(OH)2 и соли алюминия в основные соли за счет усиления гидролиза, но реально подобным процессом можно пренебречь.
г) В водном растворе хлорид алюминия и карбонат натрия взаимодействовать будут, но продуктами реакции будет не карбонат алюминия, который не существует, а гидроксид алюминия (или основные соли алюминия):
2AlCl3 + 3K2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3 + 3CO2 + 6KCl,
2AlCl3 + 2K2CO3 + 2H2O =
= 2Al(OH)2Cl + 2CO2 + 4KCl
(при добавлении раствора K2CO3 к раствору AlCl3),
3K2CO3 + AlCl3 +3H2O = Al(OH)3 + 3KHCO3 + 3KCl
(при добавлении раствора AlCl3 к раствору K2CO3).
При нагревании твердых солей можно было бы предположить протекание процесса:
2AlCl3 + 4K2CO3 = 4CO2? + 2KAlO2 + 6KCl,
однако хлорид алюминия летуч и реально такую реакцию при сплавлении реагентов провести не удастся.
д) Уравнение реакции соответствует сгоранию аммиака при отсутствии указанного катализатора. На поверхности платиново-родиевого катализатора преимущественно будет протекать окисление аммиака до оксидов азота, в частности до NO:
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
ЗАДАЧА 8
В результате взаимодействия(при комнатной температуре) двух газообразных веществ наряду с другими продуктами была получена жидкость, содержащая 20,65% углерода, 3,01% водорода и 76,31% хлора (по массе).
1. Выскажите ваши соображения о возможном качественном составе жидкости.
2. Предложите способы установления строения соединений, входящих в состав этой жидкости. Напишите уравнения соответствующих реакций или укажите физико-химические характеристики, использованные вами при неразрушающих методах анализа.
3. Напишите уравнения реакций, которые привели к образованию компонентов этой жидкости.
1. Атомное соотношение элементов в формуле вещества:
C : H : Cl = (20,65/12) : 3,01 : (76,31/35,5) =
= 1,72 : 3,01 : 2,15 = 1 : 1,75 : 1,25.
При целочисленном отношении атомных величин формула жидкости C4H7Cl5 как производного углеводорода С4Н12 противоречит формуле для максимального числа атомов водорода в насыщенных соединениях - CnH2n+2 .
При дробных величинах соответствие ряду производных алканов получается при формуле C2H3,5Cl2,5 . Можно предположить, что исследуемая жидкость представляет эквимолярную смесь C2H4Cl2 и C2H3Cl3 . Смесь подобного состава могла бы быть одной из фракций перегонки жидких продуктов, образующихся при хлорировании этана в соответствии с уравнениями:
C2H6 + 2Cl2 C2H4Cl2 + 2HCl,
C2H6 + 3Cl2 C2H3Cl3 + 3HCl
Формально такой же состав могут иметь смеси C2H5Cl с еще более хлорированными этанами, например C2H2Cl4 и другими, но подобные смеси будут содержать и вещества промежуточного состава - C2H4Cl2 , C2H3Cl3 , C2H2Cl4 , то есть смеси будут еще более сложными.
2. Если предположить, что жидкость представляет собой смесь четырех изомеров (по два изомера C2H4Cl2 и C2H3Cl3), то для установления строения компонентов смеси следует разделить ее на индивидуальные вещества и, к примеру, методами протонного магнитного резонанса установить строение каждого из соединений. В спектре ПМР CH3CHCl2 два типа сигналов протонов групп СН3 и СН в соотношении 3 : 1; в спектре CH2ClCH2Cl - один тип сигналов протонов групп СН2 ; в спектре CH3CCl3 - один тип сигналов протонов группы СН3 ; в спектре CHCl2CH2Cl - два типа сигналов групп СН2 и СН в соотношении 2 : 1.
Разделение смесей жидкостей, близких по температурам кипения (изомеры сходного строения), затруднительно, поэтому можно воспользоваться гидролизом смеси в присутствии гидрокарбоната калия и обнаруживать продукты гидролиза.
а) ClCH2CH2Cl + 2KHCO3 = HOCH2CH2OH + + 2KCl + 2CO2
Этандиол обнаруживают реакцией на многоатомные спирты с Cu(OH)2 в щелочном растворе:
2HOCH2CH2OH + Cu(OH)2 + 2KOH = K2[(C2H4O2)2Cu] + 2H2O
синий раствор
б) CH3CHCl2 + 2KHCO3 = CH3CHO + 2KCl + + 2CO2 + H2O
Ацетальдегид обнаруживается с помощью реакции "серебряного зеркала":
CH3CHO + 2[Ag(NH3)2]OH =
= 2Ag + CH3COONH4 + 3NH3 + H2O
или с помощью иодоформенной реакции:
CH3CHO + 3I2 + 4KOH =
= CHI3 + HCOOK + 3KI + 3H2O
в) CH3CCl3 + 4KHCO3 = CH3COOK + 3KCl + + 4CO2 + 2H2O
Образование ацетата калия можно обнаружить после упаривания пробы реакционной смеси по образованию сложного эфира:
CH3COOK + C2H5OH + H2SO4 =
= CH3COOC2H5 + KHSO4 + H2O
г) Наиболее сложно обнаружить в исходной смеси галогенопроизводных наличие 1,1,2-трихлорэтана:
ClCH2CHCl2 + 3KHCO3 =
= HOCH2CHO + 3KCl + 3CO2 + 3H2O
Продукт гидролиза (гликолевый альдегид) также будет давать реакцию "серебряного зеркала":
HOCH2CHO + 2Ag(NH3)2OH =
= 2Ag + HOCH2COONH4 + 3NH3 + H2O,
но при действии иода в щелочном растворе будет окисляться с образованием оксалата:
HOCH2CHO + 3I2 + 8KOH =
= KOOCCOOK + 6KI + 6H2O
Для обнаружения гликолевого альдегида необходимо разработать более сложный план анализа: в одной из проб раствора после гидролиза иодоформенной реакцией обнаружить ацетальдегид (ацетат при этом не изменяется, а этандиол и гликолевый альдегид окисляются до оксалата). Вторую пробу раствора надо подвергнуть реакции "серебряного зеркала" (при этом ацетат и этиленгликоль не реагируют, а уксусный и гликолевый альдегиды окислятся соответственно до ацетата и гидроксиацетата). Полученный раствор следует упарить досуха, небольшим количеством воды удалить непрореагировавший этандиол (или действием уксусного ангидрида превратить его в сложный эфир и удалить эфир экстракцией эфиром). В состав твердого остатка солей будут входить ацетат (из уксусной кислоты и ацетальдегида) и гидроксиацетат, который действием иода в щелочном растворе можно окислить до оксалата:
HOCH2COOK + 2I2 + 5KOH =
= KOOCCOOK + 4KI + 4H2O
Оксалат в присутствии ацетата можно обнаружить по образованию осадка оксалата кальция:
K2C2O4 + CaCl2 = CaC2O4+ + 2KCl
ЗАДАЧА 9
Основатель всесоюзных и всероссийских химических олимпиад школьников профессор Московского государственного университета Альфред Феликсович Платэ рассказывал, что в годы Великой Отечественной войны ему было поручено срочно исследовать содержимое двухлитровой тонкостенной металлической ампулы, находившейся в пилотской кабине сбитого вражеского истребителя. По результатам анализа эта жидкость содержала 22% углерода, 4,6% водорода и 73,4% брома (по массе). Результаты анализа ввергли инженеров и военных специалистов в недоумение.
Выскажите ваши соображения о том, с какой целью эта тонкостенная ампула с необычным содержимым была закреплена в пилотской кабине.
Соотношение между числом атомов элементов в изученной жидкости:
C : H : Br = (22/12) : 4,6 : (73,4/80) =
= 1,83 : 4,6 : 0,92 = 2 : 5 : 1.
Формула исследуемой жидкости - C2H5Br. Естественно, что обнаружение значительного количества этого вещества и к тому же в необычной упаковке вызвало недоумение, пока одному из химиков-экспериментаторов не пришла в голову очень простая мысль: этилбромид кипит при температуре + 38?С и помещен в пилотскую кабину в качестве потенциального противопожарного средства! При пожаре ампула лопается, и пары этилбромида, которые почти в 4 раза тяжелее воздуха, на некоторое время изолируют очаг пожара, прекращая распространение огня.
ЗАДАЧА 10
При пропускании паров некоторого углеводорода Х, содержащего около 84% углерода (по массе), над нагретым никелевым катализатором была выделена смесь трех соединений. Эта смесь частично реагирует с разбавленным раствором перманганата калия, а при кипячении с его подкисленным раствором образует смесь двух веществ, одно из которых содержит 38,6% кислорода (по массе). Обработка этой смеси избытком раствора гидроксида натрия, упаривание полученного раствора и последующее прокаливание образующегося твердого остатка приводят к образованию жидкости Y, которая, как и углеводород Х, не вызывает изменения окраски раствора перманганата калия даже при кипячении.
1. Установите структурные формулы всех органических соединений, описанных в задаче.
2. Напишите полные уравнения всех проведенных реакций (формулы органических веществ могут быть записаны в молекулярной форме).
Соотношение между числом атомов углерода и водорода, рассчитанное обычным методом:
С : Н = (84/12) : 16 = 7 : 16
соответствует формуле гептана, но гептан не удовлетворяет условию задачи, так как при его дегидрировании получится толуол, окисление которого даст только одну бензойную кислоту, содержащую 26,2% углерода (по массе):
C7H16 C6H5CH3 C6H5COOH
Кислота, полученная при окислении смеси непредельного (частичное взаимодействие с раствором перманганата без нагревания) и ароматического углеводорода, содержит 38,6% кислорода и имеет формулу СxHyOz . Кислота содержит не меньше двух атомов кислорода, и в ней на два атома кислорода (32 а.е.м.) приходится 32 " 61,4/38,6 = 50,9 ~ 51 а.е.м. радикала CxHy .
Алгебраическое уравнение 13x + y = 51 имеет решение x = 4, y = 3 и простейшую формулу кислоты С4Н3O2 . Кислоты с такой формулой не существует. Если же в результате окисления была получена дикарбоновая кислота С8Н6О4 , то условиям задачи может удовлетворять октан, С8Н18 .
Этот углеводород содержит 84,21% углерода (по массе), то есть округленно 84% (величина содержания С в условиях дана с точностью до целочисленного значения). Октан при пропускании над нагретым платиновым катализатором будет давать смесь этилбензола и орто-ксилола (1,2-диметилбензола), причем этилбензол может в результате вторичного дегидрирования превращаться в стирол:
В образующейся смеси орто-ксилола, этилбензола и стирола непредельное производное бензола окисляется нейтральным раствором KMnO4 при комнатной температуре:
3C6H5CH=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O = 3C6H5CH(OH)CH2OH + 2MnO2 + 2KOH
(частичное взаимодействие смеси с окислителем).
Окисление продуктов реакции подкисленным раствором KMnO4 при нагревании протекает с образованием смеси двух кислот - бензойной и орто-фталевой - по уравнениям:
5C6H5CH2CH3 + 12KMnO4 + 18H2SO4 =
= 5C6H5COOH + 5CO2 + 12MnSO4 + 6K2SO4 + 28H2O,
C6H5CH=CH2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 =
= C6H5COOH + CO2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 4H2O
(образование бензойной кислоты)
5C6H4(CH3)2 + 12KMnO4 + 18H2SO4 =
= 5C6H4(COOH)2 + 12MnSO4 + 6K2SO4 + 28H2O
(образование о-фталевой кислоты).
Нейтрализация полученных при окислении кислот и прокаливание образующихся солей с избытком щелочи приводят в обоих случаях к образованию бензола (жидкость Y), который, как и исходный октан, устойчив к действию KMnO4 :
C6H5COONa + NaOH = C6H6 + Na2CO3 ,
C6H4(COONa)2 + 2NaOH = C6H6? + 2Na2CO3
ЗАДАЧА 1
Что такое "уннилквадий"? Опишите его характерные свойства.
По номенклатуре ИЮПАК "уннилквадий" - элемент с атомным номером 104. "Ун" означает единица, "нил" - ноль, "квад" - четыре. Этот элемент был впервые получен советскими физиками в 1964 году при бомбардировке ядер 242Pu ядрами 22Ne.
Первооткрыватели назвали этот элемент курчатовием в честь физика-ядерщика И.В. Курчатова. В 1969 году существование этого элемента было подтверждено американскими физиками, которые предложили назвать его резерфордием в честь великого английского физика Э. Резерфорда. Это предложение было принято Советом ИЮПАК в августе 1997 года. Сейчас 104-й элемент называют резерфордием (символ - Rf).
Все изотопы 104-го элемента радиоактивны. Наиболее долгоживущий из них имеет период полураспада 70 с.
104-й элемент входит в побочную подгруппу IV группы и по химическим свойствам является аналогом гафния.
ЗАДАЧА 2
На одной из школьных викторин двум школьникам было предложено объяснить следующие термины: 1) куб; 2) колли; 3) контакт Петрова; 4) кефалины. Один из школьников ответил: "куб - геометрическая фигура; колли - порода собак; контакт Петрова - что-то из области электротехники; кефалины - мальки кефали". Другой школьник - юный химик дал совершенно другие ответы, каждый из которых имел строгий химический смысл. Что ответил юный химик?
Юный химик ответил, что в старину при крашении тканей использовали большие емкости четырехугольной формы, которые называли "кубами".
Александр Андреевич Колли - русский химик, в 1876-1903 годах заведовал кафедрой химии в Московском высшем техническом училище. Ему принадлежит ряд работ, имеющих принципиальное значение в химии углеводов. Так, он установил, что в состав глюкозы входят пять гидроксильных групп; он также первым синтезировал дисахарид.
Контакт Петрова - это густая прозрачная жидкость от темно-желтого до бурого цвета. Обычно она содержит 40% нафтеновых сульфокислот, 15% вазелинового масла, немного H2SO4 и воду. Контакт Петрова эмульгирует жиры, благодаря чему увеличивается поверхность соприкосновения жира с омыляющей жидкостью, что приводит к существенному увеличению скорости омыления жиров.
Кефалины - это устаревшее название фосфатидилэтаноламинов, которые относятся к классу фосфолипидов и описываются общей формулой
Кефалины - это аналоги жиров, которые содержат вместо одного остатка высшей жирной кислоты остаток фосфорной кислоты, связанный с этаноламином H2NCH2CH2OH. Кефалины - важные компоненты клеточных мембран.
ЗАДАЧА 3
Напишите уравнения реакций, соответствующие следующим превращениям различных классов веществ:
а) соль + кислота соль + соль + вода;
б) соль + соль + основание соль + соль + вода;
в) соль + кислотный оксид + вода соль + соль + кислота;
г) соль соль + два простых вещества.
а) 2K2CrO4 + H2SO4 = K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O;
б) K2SO3 + 2KMnO4 + 2KOH = K2SO4 + + 2K2MnO4 + H2O;
в) 2KMnO4 + 5SO2 + 2H2O = K2SO4 + 2MnSO4 + + 2H2SO4 ;
г) 5Ba(IO3)2 = Ba5(IO6)2 + 4I2 + 9O2 (при нагревании).
ЗАДАЧА 4
Анализом установлено, что в состав неизвестной жидкости входят углерод (13,1% по массе), а также элементы А (69,9%) и В (17,0%). Известно, что А и В имеют близкие атомные массы. Что это за жидкость? Предложите способ получения этой жидкости из простых веществ.
Возможный вариант элементов А и В: S и P. Найдем простейшую формулу:
S : P : C = (69,9/32) : (17,0/31) : (13,1/12) = 4 : 1 : 2,
что соответствует формуле (S4PC2)n . Но если серьезно рисовать все возможные структуры при разумных значениях n, то ничего путного не выйдет. Так в чем же дело? Приглядимся внимательно к общей формуле. Углерод и сера входят в нее в отношении 1 : 2, точно как в сероуглероде CS2 ! И тогда все становится на места: неизвестное вещество - это раствор белого фосфора в сероуглероде. Получить сероуглерод можно простым нагреванием угля с серой:
C + 2S = CS2
Красный фосфор в CS2 нерастворим, но из него несложно получить белый фосфор - тоже нагреванием. Если растворить 1 моль белого фосфора в 2 молях сероуглерода, то получится искомая жидкость.
ЗАДАЧА 5
Твердое вещество А белого цвета обработали тяжелой маслянистой жидкостью Б, при этом выделилось газообразное вещество В, хорошо растворимое в воде. Если вещество В прореагирует с одним из продуктов пиролиза нефти, то получится соединение Г, которое используют как обезболивающее средство. При сгорании соединения Г образуются вещества В, Д и вода. Вещество Д поглощается раствором вещества Ж с образованием слабой кислоты З, являющейся сильным окислителем, и твердого вещества И, одна из кристаллических модификаций которого была использована Микеланджело при изготовлении статуи Давида.
1. Определите вещества А-И.
2. Напишите уравнения реакций.
3. Почему оригинал статуи Давида хранится в закрытом помещении музея, а на площади установлена ее бронзовая копия?
1. В условии задачи зашифрованы следующие вещества:
A - NaCl или любой другой твердый хлорид белого цвета;
Б - концентрированная H2SO4 ;
В - газообразный HCl;
Г - хлорэтан C2H5Cl;
Д - CO2 ;
Ж - хлорная известь CaOCl2 ;
З - хлорноватистая кислота HClO;
И - CaCO3 .
Ключ к решению - вещество И: известно, что статуя Давида изготовлена из мрамора.
2. Уравнения реакций:
NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl?;
HCl + C2H4 = C2H5Cl;
C2H5Cl + 3O2 = 2CO2 + 2H2O + HCl;
CO2 + 2CaOCl2 + H2O = 2HClO + CaCO3 + CaCl2
3. Статуя Давида изготовлена из мрамора - одной из модификаций карбоната кальция. Чтобы предотвратить поверхность скульптуры от действия кислотных дождей, которые образуются при выбросе в атмосферу оксидов азота и серы, оригинал этого величайшего творения человечества поместили в закрытое помещение.
ЗАДАЧА 6
В книге В.В. Похлебкина "Чай. Его типы, свойства, употребление" написано: <В процессе длительного кипячения из воды улетучиваются большие массы воды и таким путем увеличивается доля... "тяжелой" воды D2O_ Тяжелая вода, естественно, осаждается внизу любого сосуда - чайника, титана. Поэтому если не вылить остатки кипяченой воды, а долить к ней свежей, то при повторном кипячении процент тяжелой воды в данном сосуде еще больше увеличится. При многократных добавлениях в остатки старой кипяченой воды новых количеств свежей воды может быть получена довольно большая концентрация тяжелой воды. А это опасно для здоровья человека>.
Действительно ли это так? Определите, сколько раз нужно доливать воду и кипятить ее в чайнике объемом 1,5 л, для того чтобы концентрация тяжелой воды увеличилась в 10 раз. Необходимые данные:
а) мольная доля тяжелой воды в питьевой воде - 0,016%;
б) коэффициент разделения, который показывает отношение концентраций тяжелой воды в жидкой и паровой фазах, равен 1,03;
в) чайник каждый раз выкипает наполовину.
Решим задачу в общем виде. Введем обозначения: коэффициент разделения a = 1,03; мольная доля тяжелой воды в питьевой воде x0 = 0,00016; общее количество воды в чайнике - n молей; мольная доля тяжелой воды в чайнике после n операций выпаривания и доливания воды xn . Найдем соотношение между xn+1 и xn .
Пусть в чайнике имеется n молей воды с мольной долей тяжелой воды xn . Выпарим n /2 молей воды, тогда в чайнике мольная доля тяжелой воды немного увеличится; обозначим ее x. Мольная доля тяжелой воды в газовой фазе будет равна x/a. Общее количество тяжелой воды в чайнике и в паре после выпаривания не изменится:
откуда следует, что
Если теперь к чайнику долить n /2 молей питьевой воды с содержанием тяжелой воды x0 , то мольная доля тяжелой воды в чайнике составит
Полученное соотношение в математике называется разностным уравнением, а в школьном курсе - рекуррентным соотношением. Это уравнение можно решить в общем виде и найти значения xn при любых значениях n. Мы этого делать не будем, а найдем только предельное значение xn при n ?. Подставив в это уравнение значение n = ?, найдем
откуда следует, что
.
Этот интересный результат означает, что, сколько бы раз мы ни повторяли процедуру выпаривания воды и доливания свежей воды, мы не сможем получить мольное содержание тяжелой воды больше, чем 0,016(1 + 1,03)/2 = 0,0162%.
Виновата во всем свежая вода, которую доливают после кипячения (слагаемое x0 /2 в уравнении (2)). Если бы ее не было, то после каждого выпаривания мольная доля тяжелой воды увеличивалась бы в 2a /(1 + a) раз (см. уравнение (1)) и в принципе могла бы возрастать неограниченно. Однако при разумных масштабах выпаривания концентрация тяжелой воды увеличивается крайне незначительно. Рассчитаем, например, сколько раз нужно было бы выпарить воду наполовину без доливания свежей воды, чтобы увеличить концентрацию тяжелой воды в 10 раз:
Решение этого уравнения:
© 157 раз.
Таким образом, чтобы увеличить содержание тяжелой воды в 10 раз надо выпарить половину воды 157 раз подряд, то есть уменьшить ее исходное количество в 2157 ~ 1,8 " 1047 раз, что представляется бессмысленным.
Поэтому пейте спокойно чай вместе с друзьями и не беспокойтесь по поводу тяжелой воды. При любом кипячении ее количество не может заметно измениться по сравнению с питьевой водой - слишком мал коэффициент разделения.
ЗАДАЧА 7
В некоторой вселенной органические соединения построены на основе трехвалентного элемента X. Остальные элементы (водород, азот, кислород и др.) проявляют свою обычную валентность.
1. Напишите общие молекулярные формулы алканов, алкенов, алкинов и аренов в этой вселенной.
2. Определите число структурных изомеров алканов и алкенов при n = 3-7.
3. Могут ли в этой вселенной существовать аналоги белков и нуклеиновых кислот?
1. Гомологическая разность для четырехвалентного углерода равна CH2 . Для гомологических рядов, образованных трехвалентным элементом, гомологическая разность должна содержать на один атом водорода меньше, то есть XH. Общая молекулярная формула гомологических рядов получается из этой разности и формулы первого члена ряда:
Нетрудно заметить, что эти формулы легко получаются из формул обычных углеводородов при замене CH на X. Родоначальники классов алкинов и аренов на основе элемента X не содержат атомов водорода, поэтому они не могут иметь гомологов, и эти "ряды" состоят только из одного родоначальника.
2. Для подсчета числа структурных изомеров алканов и алкенов есть два способа: 1) нарисовать все возможные структурные формулы с учетом трехвалентности элемента X; 2) взять готовые структурные формулы соответствующих углеводородов и заменить в них CH на X; при этом придется отбросить те углеводороды, которые содержат четвертичный атом углерода. Полученные этим способом результаты сведем в таблицы:
3. Аналоги белков на основе трехвалентного элемента существовать не могут, так как трехвалентный элемент не может образовать аналогов карбоновых кислот (в карбоксильной группе нет группы CH), а значит, и аминокислот.
Аналоги нуклеиновых кислот также существовать не могут, поскольку не может быть аналогов пуриновых и пиримидиновых оснований. Аналог пиримидина существует - это соединение X4N2 :
однако оно не содержит атомов водорода и, следовательно, не может образовать производных - пиримидиновых оснований. По этой же причине не существует аналог пурина, который можно рассматривать как производное пиримидина, а следовательно, нет и пуриновых оснований.
ЗАДАЧА 8
Юный химик Вася получил от учителя химии ответственное поручение. Васе вменялось в обязанность следить за тем, чтобы запасы титрованных растворов в школьной лаборатории были в идеальном состоянии, и главное, не иссякали.
Вася заготовил трехлитровые склянки двунормальных растворов. А чтобы склянки всегда были полными, он придумал хитрый способ: как отольет десятую часть раствора, так снова доливает до прежнего уровня дистиллированной водой. У него и метки секретные на склянках были сделаны: докуда отливать, докуда доливать. а рассуждал он просто: "Ну разбавляю на одну десятую. На столько-то и когда готовишь раствор ошибиться можно... Зато склянки всегда в порядке, и канители никакой".
Когда учитель химии готовился к лабораторной работе, он решил проверить титр Васиной кислоты. Результат оказался поразительным: на 20 мл однонормальной щелочи расходовалось 28,7 мл "двунормальной" кислоты! Призванный к ответу, Вася признался во всем и получил два задания: 1) приготовить новый раствор кислоты с pH = 5; 2) вычислить, сколько раз он разбавил старый раствор. Первое задание Вася выполнил с величайшей тщательностью, а со вторым не может справиться до сих пор. Не поможете ли вы ему?
1. Сколько раз Вася разбавил старый раствор?
2. Каков будет рН растворов, полученных при разбавлении водой нового раствора в 10, 100, 1000 раз?
1. Решим Васину задачу сначала в общем виде, введя следующие обозначения: Сн -начальная концентрация раствора, Ск - конечная концентрация раствора, V - общий объем раствора, DV - объем отливаемой части раствора, n - число разбавлений. Концентрация раствора понижается настолько, насколько разбавляют раствор. Разбавление раствора выразится отношением DV / V. Следовательно, после первого разбавления концентрация составит Cн(1 - - DV / V). После n разбавлений концентрация полученного раствора будет равна:
Cк = Cн(1 - DV / V )n
Конечную концентрацию раствора найдем из результатов титрования: CaVa = CbVb (индекс a относится к кислоте, индекс b - к щелочи), откуда Сa = = 20 " 1/28,7 = 0,7 моль/л.
Таким образом, для числа разбавлений n получаем уравнение
откуда n = 10. Как видим, Вася применил разработанный им "метод" 10 раз.
2. Положим, что к одному литру раствора кислоты с рН = 5,0 прилили в первом случае 9 л воды, во втором случае - 99 л, в третьем - 999 л, что соответствует разбавлению в 10, 100, 1000 раз. В чистой воде концентрация ионов водорода равна 10- 7 моль/л, поэтому в полученных растворах концентрации ионов водорода (моль/л) в полученных растворах составят:
1) [H+] = (10- 5 + 9 " 10- 7)/10 = 1,09 " 10- 6 моль/л, pH = - lg[H+] = 5,96;
2) [H+] = (10- 5 + 99 " 10- 7)/100 = 1,99 " 10- 7 моль/л, pH = 6,70;
3) [H+] = (10- 5 + 999 " 10- 7)/1000 = 1,099 i i 10- 7 моль/л, pH = 6,96.
Чем сильнее разбавляют исходный раствор, тем более нейтральным он становится, что вполне согласуется со здравым смыслом.
ЗАДАЧА 9
При полном гидролизе грамицидина S - полипептида со свойствами антибиотика - образуются следующие аминокислоты:
Определение молекулярной массы грамицидина S дает примерную величину 1300 ? 30.
1. Приведите молекулярную формулу грамицидина S в сокращенных обозначениях, если известно, что ни одна аминокислота входит в его состав более, чем дважды.
2. Определение С-концевого звена дает отрицательный результат; определение N-концевого звена при помощи динитрофторбензола приводит к единственному продукту - (NO2)2C6H3-NHCH2CH2CH2CH(NH2)COOH. На какую структурную особенность пептидной цепи это указывает?
3. Частичный гидролиз грамицидина S дает дипептиды с молекулярными массами 231, 245, 262, 278 и трипептиды с молекулярными массами 328, 344, 361. Какова структура грамицидина S?
1. Сумма молекулярных масс аминокислот равна 660. Поэтому можно предположить, что молекулярная формула полипептида - Leu2Orn2Phe2Pro2Val2 , так как М © 1300.
2. Поскольку в полипептиде нет свободной карбоксильной группы, то полипептид имеет циклическую структуру. Это подтверждается тем, что динитрофторбензол образует соединение только с орнитином, в состав которого входят две аминогруппы: одна из них участвует в образовании пептидной связи, а другая остается свободной и может реагировать с ДНФ.
3. Логическим путем по молекулярным массам можно восстановить следующую последовательность аминокислот:
Leu-Phe (278)
Phe-Pro (262)
Phe-Pro-Val (361)
Val-Orn-Leu (344)
Orn-Leu (245)
Val-Orn (231)
Pro-Val-Orn (328)
Тогда сложение дает
Leu-Phe-Pro-Val-Orn-Leu
Так как полипептид циклический и содержит по два остатка кислот, то получается следующая структурная формула:
ЗАДАЧА 10
Навеску некоторого углеводорода Х сожгли в атмосфере газа А и после охлаждения до 20?С газообразные продукты пропустили через избыток раствора Са(OH)2 . При этом выделилось 6,24 г белого осадка. Сжигание другой навески такой же массы в другом газе В и пропускание продуктов горения через избыток раствора Ca(OH)2 дает 16,0 г белого осадка. Известно, что Х не реагирует с бромом в присутствии железа, а при облучении светом и действии Cl2 дает только одно монохлорпроизводное. При взаимодействии Х с горячим водным раствором KMnO4 образуется вещество Y, способное прореагировать с 12-кратным количеством соляной кислоты.
1. Что представляет собой газы А и В?
2. Определите вещества Х и Y.
3. Напишите уравнения реакции.
1. Углеводороды горят в кислороде, хлоре и фторе:
СxHy + (x + 0,25y)O2 = xCO2 + 0,5yH2O;
СxHy + (2x + 0,5y)F2 = xCF4 + yHF ;
СxHy + (2x + 0,5y)Cl2 = xCCl4 + yHCl
При пропускании продуктов горения в раствор Са(OH)2 могут происходить следующие реакции:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3+ + H2O;
Ca(OH)2 + 2HF = CaF2+ + 2H2O;
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O
CF4 и CCl4 c раствором Са(ОН)2 при 25?С не реагируют. Хлорид кальция хорошо растворим в воде и осадка не образует. Таким образом, получены осадки СаСО3 и CaF2 . Из этого следует, что газы А и В - кислород и фтор.
Из одного моля углеводорода СxНy при сгорании в кислороде образуется х молей СО2 , который при поглощении Са(ОН)2 дает х молей, или 100х г СаСО3 . При сгорании во фторе из одного моля углеводорода СxНy образуется y молей НF, который дает 0,5y молей, или 39y г СаF2 .
Из углеводорода состава СxН2x+2 образуются осадки массой m(CaCO3) = 100x г и m(CaF2) = = 39(2x + 2) = 78x + 78 г. Легко видеть, что только для метана, этана и пропана (x < 4) масса осадка СаF2 больше массы осадка СаСО3 . Для всех остальных углеводородов соотношение обратное. Поэтому мы можем предположить, что газ В - кислород, газ А - фтор.
2. При пропускании продуктов горения в кислороде в раствор Са(ОН)2 получено 16 г, или 0,16 моля СаСО3 . Следовательно, в навеске содержится 0,16 моля С. При пропускании продуктов горения во фторе в раствор Са(ОН)2 получено 6,24 г, или 0,08 моля СаF2 . Следовательно, в навеске содержится 0,16 моля Н. Простейшая формула углеводорода (СН)n . Небольшое содержание водорода дает основание предположить, что в состав Х входят либо тройные связи, либо ароматические кольца.
Так как вещество Х не взаимодействует с хлором в условиях электрофильного присоединения или замещения, оно не содержит алифатических кратных связей и незамещенных ароматических С-Н-групп. Образование одного монохлорпроизводного в условиях радикального хлорирования означает, что в молекуле Х все атомы водорода эквивалентны. Условию эквивалентности монохлорпроизводных могут отвечать только метильные группы. Таким образом, вещество Х представляет собой полиароматическое соединение. При действии KMnO4 в нейтральной среде метильные группы окисляются до карбоксильных, при этом образуются калиевые соли карбоновых кислот. Вещество Y является средней калиевой солью поликарбоновой кислоты, которая при взаимодействии с соляной кислотой последовательно образует ряд кислых солей и в конечном счете соответствующую карбоновую кислоту. Таким образом, число продуктов взаимодействия калиевой соли с сильной кислотой равно числу карбоксильных групп, а следовательно, числу метильных заместителей в структуре углеводорода Х. Значит, Х содержит 12 метильных групп, то есть 36 атомов Н, что соответствует формуле С36Н36 .
Условию эквивалентности 12 метильных групп может соответствовать только высокосимметричная структура, скорее всего циклическая. Остаток после мысленного удаления метильных групп представляет собой углеродный скелет, не содержащий водорода. Таким скелетом может быть только система конденсированных бензольных колец. Искомый углеводород - додекаметилкоронен:
3. Уравнения реакций:
C24(CH3)12 + 24KMnO4 =
= C24(COOK)12 + 24MnO2 + 12KOH + 12H2O;
C24(COOK)12 + 12HCl = C24(COOH)12 + 12KCl
Авторы задач и решений: С.С. Чуранов, В.В. Еремин, В.В. Загорский, Ф.Н. Путилин, Н.Ш. Пиркулиев,
М.Д. Решетова, А.М. Галин, Д.М. Жилин,
А.В. Синицкий.
