|
|
Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате
9 класс
ЗАДАЧА 1
Приведите формулы и названия пяти разных соединений, каждое из которых состоит из трех элементов с порядковыми номерами 1, 8, 16.
Примеры формул и названий кислот серы:
H2SO3 - сернистая кислота;
H2SO4 - серная кислота;
H2S2O7 - дисерная кислота;
H2S2O8 - пероксодисерная кислота;
H2S2O3 - тиосернистая кислота;
H2S4O6 - тетратионовая кислота;
H2S3O6 - трисульфоновая кислота.
ЗАДАЧА 2
Азот - один из немногих элементов, у которых известны устойчивые соединения для всех основных степеней окисления.
1. Какие степени окисления может проявлять азот в своих соединениях?
2. Приведите по одному соединению для каждой степени окисления.
3. Предложите способы получения этих соединений, если источником азота взять аммиак. Напишите уравнения всех реакций и укажите условия их проведения.
1) степень окисления - 3: NH3 ;
2) степень окисления 0: N2
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O (горение аммиака без катализатора);
3) степень окисления +1: N2O
NH4NO3 = N2O + 2H2O (разложение при 170-200?С; получение нитрата аммония см. ниже);
4) степень окисления + 2: NO
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (горение аммиака на платиновом катализаторе);
5) степень окисления + 3: N2O3
NO2 + NO = N2O3 (охлаждение смеси оксидов; получение NO2 см. ниже);
6) степень окисления + 4: N2O4
2NO + O2 = 2NO2 ; 2NO2 N2O4 (реакция идет при смешивании газов; получение NO см. выше. При повышении давления и понижении температуры оксид азота (IV) димеризуется);
7) степень окисления + 5: HNO3
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO или на воздухе: 4NO2 + 2H2O + O2 = 4HNO3 (получение нитрата аммония: NH3 + HNO3 = NH4NO3).
Кроме того, азот образует соединения с другими степенями окисления: гидразин N2H4 (- 2); гидроксиламин NH2OH (-1). В азидах NaN3 азоту можно приписать две степени окисления: + 5 (один атом N) и - 3 (два атома N).
ЗАДАЧА 3
Алюминий получают электролизом расплава боксита Al2O3 и криолита AlF3 " 3NaF (или Na3AlF6) с добавлением фторидов натрия, кальция, магния, алюминия. Процесс ведут с графитовыми электродами при 950?С.
1. Зачем в расплав добавляют криолит и фториды?
2. Какие ионы движутся к катоду, какие - к аноду?
3. Напишите схемы электрохимических процессов, протекающих на катоде и на аноде.
4. Графитовый катод служит долго, а анод приходится часто заменять. Почему? Ответ подтвердите уравнениями реакций.
1. Оксид алюминия Al2O3 - тугоплавкое вещество с температурой плавления 2050?С. Добавка фторидов понижает температуру плавления, тем самым экономится энергия и уменьшается износ материалов. Реально расплав содержит не более 30% Al2O3 (остальное - криолит).
2. К катоду движутся катионы: Al3 +, Na+, Ca2 +, Mg2 +. К аноду движутся анионы: O2 -, F-.
3. Рабочее напряжение (около 4,5 В) подобрано так, что на катоде происходит восстановление катионов преимущественно алюминия: Al3 + + 3e- = Al. На аноде окисляется в основном кислород: 2O2 - - - 4e- = O2 .
4. Графит анода расходуется: C + O2 = CO2 ; 2C + + O2 = 2CO. В незначительной степени с анодом реагирует фтор: C + 2F2 = CF4 .
ЗАДАЧА 4
Юный химик решил определить массовую долю хлороводорода в соляной кислоте. Для этого он взял примерно 5 г алюминия, поместил металл в пробирку с газоотводной трубкой и прилил 5,0 г соляной кислоты. Выделяющийся водород он собирал в перевернутый мерный цилиндр, заполненный водой. Ему удалось собрать около 2,45 л водорода при 1 атм и 25?С. В пробирке образовалась густая серая пена.
1. Какова концентрация хлороводорода в соляной кислоте на основании данных анализа?
2. Напишите уравнения реакций, позволяющие объяснить полученный результат.
3. Что нужно изменить в анализе, чтобы получить правильный результат?
1. Определим количество водорода: n(H2) = = PV / RT = 101,3 " 2,45/(8,31 " 298) = 0,1 моля.
Для получения 0,1 моля водорода по реакции
Al + 3HCl = AlCl3 + 1,5H2?
нужно 0,2 моля HCl, или 7,3 г, а мы имеем лишь 5 г раствора HCl. Получается, что концентрация соляной кислоты больше 100%!
2. Образование густой серой пены связано с тем, что лишенный защитной пленки алюминий реагирует с водой:
Al + 3H2O = Al(OH)3 + 1,5H2?
Пену образует нерастворимый гидроксид алюминия. Серый цвет вызван частичным образованием соединений алюминия в низших степенях окисления (например, Al2O).
3. Чтобы не шла реакция с водой, алюминий надо заменить менее активным металлом, например цинком.
ЗАДАЧА 5
Юный химик взял два стаканчика одинаковой массы. В первый он налил раствор Na2CO3 (1 моль/кг), во второй - раствор HCl такой же концентрации. Массы обоих растворов - по 100 г. В первый стаканчик юный химик очень медленно и при тщательном перемешивании добавил 100 г раствора HCl (1 моль/кг), во второй - такую же массу раствора Na2CO3 той же концентрации при тех же условиях. Насколько один стаканчик станет тяжелее или легче другого после окончания реакций?
В обоих случаях мольное отношение реагентов 1 : 1.
В первом стаканчике протекает реакция
Na2CO3 + HСl = NaCl + NaHCO3 ,
во втором сначала протекает реакция
2HCl + Na2CO3 = 2NaCl + H2O + CO2 ?,
а после того, как вся соляная кислота израсходуется, избыточный карбонат натрия разлагаться не будет.
Поэтому масса содержимого первого стаканчика (из которого ничего не выделяется) составит 200 г, то есть сумму масс растворов Na2CO3 и HCl.
Масса содержимого второго стаканчика будет равна тем же 200 г за вычетом массы выделившегося CO2 . То есть масса второго стаканчика будет меньше массы первого стаканчика на массу выделившегося CO2 . Рассчитаем ее.
Количество HCl во втором стаканчике n(HCl) = = 1(моль/кг) " 0,1(кг) = 0,1 моля. n(CO2) = 0,1/2 = = 0,05 моля; m(CO2) = 0,05 " 44 = 2,2 г. Это максимально возможная масса выделившегося углекислого газа; реально часть его останется в растворе в составе гидрокарбоната, так как в конце реакции избыток соляной кислоты будет мал.
Таким образом, первый стаканчик будет тяжелее второго на величину, не превышающую 2,2 г.
ЗАДАЧА 6
Гидрид лития массой A г растворили в избытке воды массой B г.
1. Приведите расчетную формулу для вычисления массы m получившегося раствора.
2. Приведите расчетную формулу для вычисления массовой доли w (в %) образовавшегося в растворе вещества.
3. Одним из продуктов реакции наполнили идеально растяжимый резиновый сферический шар при н.у. Приведите расчетную формулу для вычисления диаметра D этого шара.
1.
Масса раствора равна сумме масс гидрида лития и воды за вычетом массы выделившегося из раствора водорода:
m(р-ра) = m(LiH) + m(H2O) - m(H2) =
= A + B - 2/8A = (B + 0,75A ) г.
2. Массовая доля гидроксида лития:
3. Согласно уравнению реакции, объем водорода при н.у.:
V (H2) = 22,4n(H2) = =
= 2,8A л = 2800A см3.
Объем шара связан с его диаметром соотношением: откуда диаметр:
ЗАДАЧА 7
Навеску белых твердых гранул X массой 2,80 г сожгли в избытке кислорода. Из продуктов сгорания удалось сконденсировать 3,59 г воды в охлаждаемой до 15?С трубке. Оставшиеся после конденсации воды газы не обесцвечивают водный раствор перманганата калия, но вызывают помутнение баритовой воды. Эти газы пропустили в колбу с 50 г 20%-ного раствора едкого натра. Масса колбы увеличилась в результате на 8,81 г.
1. Какой состав могло иметь вещество X? Приведите его возможную формулу.
2. Как называется вещество, отвечающее простейшему элементному составу X? Для чего оно применяется?
3. Напишите уравнения упомянутых реакций.
1. При сгорании X образуются вода и углекислый газ. Вода явно указана в условии, а углекислый газ - продукт сгорания вещества в кислороде, не обладающий в отличие от сернистого газа восстановительными свойствами.
Из 2,8 г X получается примерно 3,6 г H2O и 8,8 г CO2 . В условиях описанного эксперимента мы не можем исключить из состава X кислород и азот (при горении азотсодержащих веществ выделяется газообразный азот, не поглощаемый щелочью).
2,8 г X дает 0,2 моля H2O и 0,2 моля CO2 , следовательно, в 28 г X содержится 4 моля атомов H и 2 моля атомов С; возможны также атомы кислорода и азота. Возможная простейшая формула X - CH2OxNy . Однако в 28 г X "помещаются" только 4 моля H и 2 моля С. Простейший элементный состав X, отвечающий условиям задачи, - CH2 .
2. Простейшему элементному составу CH2 отвечают либо непредельные и циклические углеводороды (газы и жидкости), либо один из самых распространенных полимеров - полиэтилен. Белые гранулы - полуфабрикат полиэтилена для литья и горячего прессования.
3. (-CH2-CH2-)n + 3nO2 = 2nCO2 + 2nH2O,
CO2 + Ba(OH)2 = BaCO3+ + H2O
В 50 г 20%-ного NaOH содержится 10 г, или 10/40 = 0,25 моля NaOH; 8,8 г CO2 соответствуют 0,2 моля. Поскольку на 1 моль углекислого газа приходится больше 1 моля щелочи, образуются кислая и средняя соли:
CO2 + NaOH = NaHCO3 ,
NaHCO3 + NaOH = Na2CO3 + H2O
ЗАДАЧА 8
Смесь из 2,746 г металлических опилок A с 3,386 г белого порошка B при поджигании ярко вспыхнула. После реакции собрано 6,132 г твердого продукта C, умеренно растворимого в воде. Из получившегося водного раствора при пропускании углекислого газа выпадает белый осадок D, который растворим в избытке углекислого газа. Если осадок D высушить, а затем прокалить при 1000?С, то из 1,973 г D получится 1,533 г C.
1. Определите вещества A, B, C, D.
2. Напишите уравнения описанных реакций.
3. Какой цвет имела упомянутая "яркая вспышка"?
4. Известно, что вещество B в XIX веке использовалось в производстве газа E. Какие реакции и при каких условиях осуществляли в этом производстве?
1. Осадок D, получающийся при действии углекислого газа на умеренно растворимый C, - это карбонат металла II группы, поскольку он растворим в избытке углекислого газа (с образованием кислой соли). При прокаливании карбоната получается исходный продукт C. Следовательно, C - оксид металла второй группы. Тогда по разности масс карбоната и оксида находим молекулярную массу оксида:
XO + CO2 = XCO3 ,
m(CO2) = m(XCO3) - m(XO) = 1,973 - 1,533 = 0,44 г,
n(CO2) = 0,44/44 = 0,01 = n(XO),
M (XO) = 1,533/0,01 = 153,3 г/моль, откуда X - Ba.
Оксид металла второй группы - BaO.
Тогда реакция металла A с белым порошком B, при которой масса продукта равна сумме масс исходных веществ, - это реакция металлического бария с перекисью бария.
Таким образом, A - Ba; B - BaO2 ; C - BaO; D - BaCO3 .
2. BaO2 + Ba = 2BaO,
BaO + H2O = Ba(OH)2 ,
Ba(OH)2 + CO2 = BaCO3+ + H2O,
BaCO3 + CO2 + H2O = Ba(HCO3)2 ,
BaCO3 = BaO + CO2
3. Вспышка была желто-зеленая (соединения бария окрашивают пламя в зеленый цвет).
4. Получение кислорода (газ E) по методу Брина:
BaO + 0,5O2 BaO2 (нагревание в токе воздуха),
BaO2 BaO + 0,5O2
(нагревание в сосуде для сбора O2).
ЗАДАЧА 1
Напишите уравнения реакций, протекающих между: а) органической и неорганической кислотами; б) органическим и неорганическим основаниями. Для каждого случая укажите две реакции, которые приводят к образованию различных классов химических соединений.
а) Органические кислоты могут реагировать с неорганическими по углеводородному радикалу:
C6H5COOH 3-O2NC6H4COOH + H2O,
CH3C6H4COOH + 2HNO3(р-р)
HOOCC6H4COOH + 2NO + 2H2O,
CH2=CHCOOH + HCl(газ) ClCH2CH2COOH
б) Алифатические амины и диамины могут выступать в роли комплексообразователей:
Cu(OH)2 + 2H2NCH2CH2NH2
[Cu(H2NCH2CH2NH2)2](ОH)2 ,
а четвертичные аммониевые основания - в роли сильных оснований:
Al(OH)3 + (CH3)4NOH [(СH3)4N][Al(OH)4]
ЗАДАЧА 2
В органической химии многие реакции носят имена ученых, их открывших. Напишите уравнения следующих реакций с указанием условий их проведения (по одному конкретному примеру для каждой реакции):
1) восстановление по Зинину; 2) гидратация по Кучерову; 3) окисление по Прилежаеву; 4) нитрование по Коновалову; 5) окисление по Байеру-Вагнеру-Виллигеру; 6) галогенирование по Геллю-Фольгарду-Зелинскому.
1) Н.Н. Зинин осуществил восстановление нитробензола в анилин(бензидам):
C6H5NO2 + 3(NН4)2S
С6Н5NH2 + 3S + 6NH3 + 2H2O
Иногда реакцией Зинина называют любой процесс восстановления ароматических нитросоединений в амины:
C6H5NO2 + 3Zn +7HCl
[С6H5NH3]Cl + 3ZnCl2 + 2H2O,
4C6H5NO2 + 9Fe + 4H2O 4C6H5NH2 + 3Fe3O4
2) Реакцией М.Г. Кучерова называют присоединение воды к ацетиленовым соединениям:
HC╞CH + H2O CH3CHO
Реакцию проводят в подкисленном растворе сульфата ртути при слабом нагревании.
3) Реакцией Н.А. Прилежаева называют окисление этиленовых соединений в a-окиси (оксираны, эпоксисоединения), протекающее при действии надкислот (или смесей пероксида водорода с органическими кислотами):
4) Реакцией М.П. Коновалова называют свободнорадикальное нитрование циклоалканов и алканов, протекающее при нагревании углеводородов с разбавленной азотной кислотой в запаянных ампулах:
C6H12 + HNO3 C6H11NO2 + H2O
циклогексан нитроциклогексан
5) В названии "окисление по Байеру-Вагнеру-Виллигеру" объединены две различные реакции окисления: хорошо знакомая качественная реакция раствора перманганата калия с непредельными соединениями (реакция Е.Е. Вагнера):
3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O
3HOCH2CH2OH + 2MnO2 + 2KOH
и значительно менее знакомая реакция окисления кетонов надкислотами в сложные эфиры (реакция Байера-Виллигера):
CH3COCH3 + CH3COOOH
CH3CООСН3 + CH3COOH
6) Галогенированием по Геллю-Фольгарду-Зелинскому называют взаимодействие галогенов (хлора, брома, иода) с алифатическими и жирно-ароматическими кислотами в присутствии фосфора (галогенидов фосфора), которое приводит к a-замещенным галогенкислотам:
CH3CH2COOH + Br2 CH3CHBrCOOH + HBr
ЗАДАЧА 3
Ниже приведены молекулярные формулы некоторых соединений. Представьте эти формулы в виде, позволяющем установить строение веществ или их принадлежность к определенным классам соединений.
1) CH4N2O - NH4CNO (цианат аммония) или (NH2)2CO (мочевина)
2) CCu2H2O5 - [Cu(OH)]2CO3 (основной карбонат меди, главная составная часть малахита);
3) C6FeK3N6 - K3[Fe(CN)6] (гексацианоферрат (III) калия, красная кровяная соль);
4) C2Cl3H3O2 - CCl3CH(OH)2 или CCl3CHO " H2O (хлоральгидрат, гидрат трихлорацетальдегида, существует в форме 2,2,2-трихлорэтандиола-1,1);
5) CaH5O6P - CaHPO4 " 2H2O (дигидрат гидроортофосфата кальция, основная часть удобрения преципитата);
6) C6FeН6К4N6O3 - K4[Fe(CN)6] " 3H2O (тригидрат гексацианоферрата (II) калия, желтая кровяная соль);
7) CoN6Na3O12 - Na3[Сo(NO2)6] (гексанитритокобальтат (III) натрия, гексакобальтинитрит - качественный реактив на ионы K+);
8) CrH24КO20S2 - KCr(SO4)2 " 12H2O, или K2SO4 " Cr2(SO4)3 " 24H2O (додекагидрат сульфата хрома-калия, хромовокалиевые квасцы);
9) H8MoN2O4 - (NH4)2MoO4 (молибдат аммония);
10) AlH28NO20S2 - Al(NH4)(SO4)2 " 12H2O (алюминиево-аммониевые квасцы).
ЗАДАЧА 4
Завершите уравнения следующих реакций:
Nа2О(тв) + Н2О(ж)
Nа2О2(тв) + Н2О(ж)
СН3СН=СНСООCH3 + НС1(г)
СН3СН=СНСООCH3 + НС1(водн. р-р)
Na2O(тв) + H2O(ж) = 2NaOH;
Na2O2(тв) + H2O(ж) = 2NaOH + H2O2
(раствор при большом количестве воды),
2Na2O2(тв) + 2H2O(ж) = 4NaOH(тв) + O2(г)
(термическое разложение Н2О2 при малом количестве воды);
CH3CH=CHCOOCH3(ж) + HCl(г)
CH3CHClCH2COOCH3(ж);
CH3CH=CHCOOCН3(ж) + HCl(водн. р-р)
CH3CH=CHCOOH + CH3OH
ЗАДАЧА 5
В некотором органическом веществе X массовые доли углерода и водорода равны (? 0,1%).
1. Предложите одну из возможных структурных формул вещества X.
2. Как обнаружить примесь этого вещества в воздухе?
3. Напишите уравнение реакции получения X.
4. Образец вещества X помещен в герметически закрытый сосуд. Постройте примерный график изменения давления внутри сосуда со временем при постоянной температуре. График обоснуйте расчетом.
5. Объясните, почему проба газа, отобранная в ходе предыдущего эксперимента, вызывает изменение окраски бромной воды.
1. Масса атомов углерода в 12 раз больше массы атомов обычного водорода. Для выравнивания масс атомов этих элементов в составе одной молекулы следует использовать более тяжелые изотопы водорода или иметь в составе молекулы атомы других элементов, несущих на себе атомы водорода. Условию равенства массовых долей С и Н удовлетворяют формально следующие соединения:
1) C3H4 , или CT4 ,
2) C2H3N2HN2H2 , или CD3NDND2 ,
3) C(SiH3)4 .
Тетратритометан существует, а данных о гексадейтерогидразине и тетра(тригидросилил)метане в доступной литературе не найдено.
2. Сверхтяжелый изотоп водорода - тритий - радиоактивен:
3Н 3Не + b,
и его примесь в воздухе может быть обнаружена чувствительным дозиметром.
3. Меченый тритием метан можно получить при действии сверхтяжелой воды на карбид алюминия:
Al4C3 + 12T2O 3CT4 + 4Al(OT)3 .
4. Формально радиоактивный и химический распад тетратритометана происходит по уравнению
CT4(г) C(тв) + 4He(г)
Пусть в сосуде было n молей CT4 . Через один период полураспада в сосуде останется 0,5n молей CT4 и образуется 2n молей гелия, поэтому давление в сосуде возрастет в 2,5 раза. Через два периода полураспада останется 0,25n молей CT4 и образуется 3n молей гелия, общее давление в сосуде возрастет в 3,25 раза. В результате полного распада образующийся гелий будет создавать давление, в 4 раза превышающее первоначальное.
5. Реальный график изменения давления будет сильно отличаться от теоретического, который построен в предположении одновременного распада всех четырех атомов трития в одной молекуле тяжелого метана. Наиболее вероятен распад одного из атомов, что повлечет за собой образование свободных радикалов:
CT4 CT3J + He
Образование свободных радикалов вызовет изменения в химическом составе смеси:
CT3J + CT3J C2T6 ,
CT3J + C2T6 CT4 + C2T5J ,
CT3J + C2T5J CT4 + CT2=CT2 ,
C2T5J + C2T5J C4T10 ,
C2T5J + C2T5J C2T6 + CT2=CT2
В результате подобных свободнорадикальных реакций в смеси появятся меченые тритием этан, бутан, этилен и другие предельные и непредельные углеводороды. Это будет изменять реальное давление в смеси, а непредельные соединения будут вызывать изменение окраски бромной воды:
CT2=CT2 + Br2 BrCT2CT2Br
ЗАДАЧА 6
При взаимодействии брома с хлорсодержащим органическим веществом получено соединение Х. При высокотемпературном сожжении в атмосфере кислорода в приборе с серебряной гильзой двух образцов Х массой 5,83 и 4,16 г получено 1,76 и 1,26 г диоксида углерода соответственно, а масса серебряной гильзы возросла на 5,33 и 3,81 г соответственно.
1. Установите расчетом соотношение между числом атомов хлора и брома в соединении Х.
2. Предложите возможные структурные формулы исходного вещества.
3. Укажите области применения исходного вещества (или веществ) в технике.
Галогены и галогеноводороды, образующиеся при окислении соединения Х на серебряной гильзе, превращаются в хлорид и бромид серебра. Следовательно, привес массы серебряной гильзы равен массе атомов хлора и брома, входившего в состав вещества. В первом опыте на 1,776/44 = 0,04 моля СО2 серебром было поглощено 5,33 г Cl и Br, следовательно, на 1 моль атомов С приходится 5,33/0,04 = = 133,25 г (Cl + Br). Во втором опыте на 1,26/44 = = 0,0286 моля СО2 приходится 3,81 г (Cl + Br), то есть на 1 моль атомов С приходится 3,81/0,0286 = 133,22 г (Cl + Br). Результаты обоих опытов совпадают.
Пусть на 1 моль атомов С приходится х моль атомов Cl и y моль атомов Br и пусть молекула X содержит n атомов C, тогда:
35,5x + 80y = 133,23n.
При нечетных значениях n это неопределенное уравнение не имеет целочисленных решений для x и y. При n = 2 уравнение
35,5x + 80y = 266,5
имеет решение в целых числах: x = 3, y = 2, то есть в молекуле Х на два атома C приходится три атома Cl и два атома Br. Из соотношения количеств этих трех элементов простейшая формула соединения Х - C2Cl3Br2 . Вещество с такой формулой (производное от С2Н5) существовать не может, при удвоении получаем формулу C4Cl6Br4 (производное бутана С4H10). Такое соединение могло быть, например, получено при взаимодействии гексахлорбутадиена с бромом:
CCl2=CCl-CCl=CCl2 + 2Br2
BrCCl2-CBrCl-CBrCl-CCl2Br
(гексахлорбутадиен используется в синтезе средств защиты растений от насекомых и в производстве химически стойких перхлоркаучуков для химической промышленности).
Однако при выборе возможных формул не было учтено, что исходное хлорпроизводное углеводорода могло содержать и водород. Первая навеска содержит 0,004 моля углерода, или 0,48 г. Сумма масс углерода и галогенов 0,48 + 5,33 = 5,81 меньше массы исходной навески (5,83 г). Сумма масс углерода, хлора и брома во второй навеске также меньше массы взятого для анализа вещества. Если предположить на основании двух опытов, что Х содержит водород, то его атомное отношение к углероду равно (0,02/1) : 0,04 = 1 : 2 и формула продукта реакции с бромом - C2HCl3Br2 . Это производное этана, которое могло быть получено при взаимодействии широко употребляемого в технике растворителя - трихлорэтилена - с бромом:
CHCl=CCl2 + Br2 CHBrCl-CCl2Br
ЗАДАЧА 7
Нобелевский лауреат Альфред Вернер - создатель учения о комплексных соединениях. Он впервые ввел представление об изомерии комплексов и предложил понятие "координационное число", которое для многих переходных металлов равно 6. А. Вернером были исследованы шесть комплексов кобальта А - Е общей формулы Со(NН3)хС13 . Комплексы имели следующую окраску: А - темно-зеленый, Б - фиолетовый, В - вишневый, Г - золотисто-желтый, Д - светло-зеленый, Е - синеватый. Для всех комплексов было проведено гравиметрическое определение хлора в свежеприготовленных водных растворах. Масса высушенных осадков хлорида серебра составила: для образцов комплексов А и Б - 0,449 г, для В - 0,898 г, для Г - 1,347 г, комплексы Д и Е осадка хлорида серебра не образуют. Исходные образцы комплексов А - Е, взятые для анализа, имели одинаковую массу.
1. Объясните количественные результаты гравиметрического анализа.
2. Определите количественный состав комплексов А-Е.
3. Приведите возможные пространственные структуры А-Е.
1. Образование осадка хлорида серебра при гравиметрическом определении хлора свидетельствует о наличии в составе комплексов ионов хлора. Следовательно, комплексы А, Б, В и Г имеют во внешней сфере ионы хлора, а в комплексах Д и Е ионы хлора во внешней сфере отсутствуют, то есть эти два комплекса незаряжены. Поскольку массы AgCl в А(Б), В и Г относятся как 1 : 2 : 3 соответственно, можно предположить, что количество ионов хлора на внешней сфере составляет: 1 для комплексов А и Б, 2 для комплекса В, 3 для комплекса Г. Тогда остальные атомы хлора находятся во внутренней сфере комплексов.
2. При координационном числе кобальта 6 и общем количестве атомов хлора во всех комплексах 3 можно предположить, что последние имеют следующие составы:
А и Б - [Co(NH3)4Cl2]Cl;
В - [Co(NH3)5Cl]Cl2 ;
Г - [Co(NH3)6]Cl3 ;
Д и Е - [Co(NH3)3Cl3]
3. Шесть лигандов во внутренней сфере комплексов геометрически могут размещаться в вершинах шестиугольника, тригональной призмы или октаэдра. Методом подбора можно установить, что в случае рассматриваемых комплексов кобальта два изомера состава [Co(NH3)4Cl2] и два изомера состава [Co(NH3)3Cl3] могут существовать в случае октаэдрической конфигурации.
ЗАДАЧА 8
В школах Мурлындии химию изучают примерно по тем же программам, что и у нас. Однако при написании химических формул для обозначения символов элементов используют двузначные цифры, а коэффициенты в уравнениях и индексы в химических формулах обозначают буквами латинского алфавита и записывают в строчку. Вместо скобок они используют двоеточие. Из учебника химии для 9-го класса мы выбрали четыре уравнения, достаточно хорошо знакомые вам:
38m0914d + 86 : 1214d:m = 860914d + m381214d,
38m0914d + 18m0914q = 38m0914q + 0914m + 18m14,
38m0914d + 18m14m = 38m0914q + 18m14,
m86 : 1214d : m = m8614 + q1214m + 14m.
1. Установите, какую тему изучали школьники Мурлындии.
2. Превратите уравнения из учебников мурлыкающих школ в наши обычные химические уравнения.
Для удобства анализа уравнений реакции заменим цифровые символы элементов на более привычные буквенные - 38 на A, 09 на B и так далее. Тогда уравнения приобретут следующий вид:
AmBCd + D(EСd)m = DBCd + mAECd
(типичная реакция обмена),
AmBCd + FmBCq = AmBCq + BCm + FmC
(также похоже на реакцию обмена, но с разложением продукта обмена FBC(m + 1) на BCm и FmC; одновременно устанавливаем, что d = m + 1).
Первые два уравнения реакции типичны для реакций солей (простой двойной обмен) и солей с кислотами (с разложением неустойчивой кислоты на оксид и воду). Вполне вероятно, что FmC - вода Н2О.
AmBCd + FmСm = AmBСq + FmС.
Происходит перенос одного из атомов бинарного соединения FmCm на другое вещество - весьма похоже на процесс окисления, и если FmC - вода, то FmCm - пероксид водорода H2O2 . Одновременно устанавливаем, что q = d + 1 = m + 2.
mD(ECd)m = mDC + qECm + Cm.
Уравнение реакции похоже на уравнение термического распада солей, например, нитратов с образованием оксидов и кислорода. Тогда С - кислород, m = = 2, и, следовательно, q = 4, d = 3. Таким образом, вещество A2BC3 , которое вступает в реакцию обмена с другой солью, разлагается кислотой F2BC4 и окисляется, может представлять собой сульфит щелочного металла - Na2SO3 или K2SO3 . Соединение D(EC3)2 может быть нитратом тяжелого металла - Ba(NO3)2 или Pb(NO3)2 .
Вполне вероятно, что юные мурлыки изучали на уроках тему "Сера. Сернистая кислота и ее соли", а уравнения реакций в привычном виде выглядят следующим образом:
Na2SO3 + Ba(NO3)2 = BaSO3+ + 2NaNO3 ,
Na2SO3 + H2SO4 = Na2SO4 + SO2? + H2O,
Na2SO3 + H2O2 = Na2SO4 + H2O,
2Ba(NO3)2 = 2BaO + 4NO2? + O2?
ЗАДАЧА 1
Элементы с порядковыми номерами 110-112 были открыты в 1994-1996 годах на ускорителе тяжелых ионов в г. Дармштадте (Германия) в количестве одного, трех и одного атомов соответственно. Новые элементы образовались при бомбардировке ионами свинцовой и висмутовой мишеней в результате следующих реакций:
1. Составьте полные уравнения ядерных реакций, заменив знаки вопроса соответствующими числами или символами химических элементов.
2. Объясните, что означают трехбуквенные символы новых элементов.
1. В ядерных реакциях сохраняются сумма зарядов (нижние индексы) и сумма массовых чисел (верхние индексы). Полные уравнения реакций получения элементов 110-112 имеют вид:
2. Символы Uun, Uuu, Uub обозначают названия элементов по номенклатуре ИЮПАК: 110 - унуннилий Uun (то есть один-один-ноль), 111 - унунуний Uuu (один-один-один), 112 - унунбий Uub (один-один-два).
ЗАДАЧА 2
При нагревании смеси двух кислот А и Б образуется кислота В и выделяется газ Г. При взаимодействии с раствором нитрата серебра газ Г превращается в кислоту В. Молекулы веществ А - Г отличаются друг от друга только числом атомов кислорода: больше всего кислорода (65,3% по массе) содержит вещество В. Определите вещества А - Г и напишите уравнения реакций.
А - фосфорноватистая кислота H3PO2 , Б - фосфористая кислота H3PO3 , В - ортофосфорная кислота H3PO4 (w(O) = 64/98 = 0,653), Г - фосфин PH3 .
При нагревании как H3PO2 , так и H3PO3 происходят реакции диспропорционирования:
2H3PO2 = H3PO4 + PH3?,
4H3PO3 = 3H3PO4 + PH3
Фосфин окисляется нитратом серебра до фосфорной кислоты:
8AgNO3 + PH3 + 4H2O = H3PO4 + 8Ag + 8HNO3
Серебро может растворяться в образующейся азотной кислоте:
3Ag + 4HNO3 = 3AgNO3 + NO + 2H2O
Комбинируя последние два уравнения, можно записать суммарное уравнение окисления фосфина нитратом серебра:
2AgNO3 + PH3 = H3PO4 + 2Ag + 2NO
ЗАДАЧА 3
Простейшая гетероядерная молекула X может быть получена при столкновении атомных пучков.
1. Напишите формулу молекулы X. Объясните, к какому из атомов смещена электронная плотность и почему.
2. Определите число электронов и кратность (порядок) связи в молекуле X и катионе X+. Какая из частиц - X или X+ - более устойчива?
3. Как можно установить, образовались ли молекулы X при столкновении атомных пучков?
1. Первые два элемента Периодической системы - водород и гелий, поэтому простейшая молекула, составленная из двух разных атомов, - HeH. Эта молекула может образоваться при столкновении атомных пучков водорода и гелия.
Электронная плотность в молекуле HeH смещена к более электроотрицательному атому. К сожалению, в справочных таблицах электроотрицательность гелия не указывают, так как считается, что гелий не образует обычных химических соединений.
Оценить электроотрицательность гелия можно следующим образом. Радиусы атомов гелия и водорода примерно одинаковы, а заряд ядра у гелия - в два раза больше, чем у водорода. Следовательно, валентные электроны гелия притягиваются к его ядру с большей силой, чем электрон в атоме водорода, поэтому электроотрицательность гелия выше, чем водорода, и электронная плотность в молекуле HeH смещена в сторону атома He. Квантово-химические расчеты подтверждают это предположение.
2. Молекула HeH содержит три электрона, из которых два находятся на связывающей молекулярной орбитали, а один - на разрыхляющей. Порядок связи в молекуле HeH равен 1/2.
Молекулярный ион HeH+ содержит два электрона, которые находятся на связывающей молекулярной орбитали. Порядок связи в ионе HeH+ равен 1. Следовательно, связь в HeH+ более прочная, чем в HeH, и ион более устойчив, чем молекула.
3. При столкновении возбужденных атомов водорода и гелия образуются молекулы HeH в возбужденных электронных состояниях. Эти состояния неустойчивы и довольно быстро испускают свет. Анализ спектров испускания позволяет доказать факт образования молекул.
ЗАДАЧА 4
Для проверки диффузионной установки, на которой собирались разделять изотопы урана 235U и 238U (в виде гексафторидов), использовали модель - смесь иода и трибромметана.
1. Чем руководствовались исследователи при выборе модельной смеси?
2. Предложите лабораторный способ разделения смеси иода и трибромметана.
3. Предложите другую смесь для тестирования диффузионной установки.
1. Смесь иода с трибромметаном хороша по нескольким причинам:
1) молекулярные массы этих веществ очень близки между собой - 254 и 253 соответственно. Они не очень отличаются от масс гексафторидов урана (для 235UF6 - 349, для 238UF6 - 352). А ведь скорость диффузии зависит в основном от массы молекул;
2) оба модельных вещества достаточно летучи, как и гексафториды урана, а это важнейшее свойство для диффузии;
3) гексафторид урана - очень агрессивное вещество. Аппаратура, устойчивая к действию этого вещества, должна выдержать действие и паров иода. Если же установка будет корродировать от иода, то для гексафторида урана она заведомо непригодна;
4) иод и трибромметан - достаточно дешевые вещества.
2. Разделить иод и трибромметан в лаборатории проще всего таким образом: подействовать на смесь раствором иодида калия в воде. При этом происходит растворение иода за счет реакции KI + I2 = KI3 .
3. Возможная смесь для тестирования диффузионной установки - MoCl5 (Mr = 273,5) и PtF4 (Mr = = 271). Оба вещества летучи и имеют близкие молекулярные массы.
ЗАДАЧА 5
Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей последовательности превращений:
B2 B Ba Be Ne Na He Hg H2 .
Каждая заглавная буква обозначает группу атомов, каждая строчная - один атом.
B - NO2 , N - CH3COO, H - CH3 , a - Na, e - H, g - Br.
Схема превращений:
N2O4 NO2 NaNO2 HNO2
CH3COOH CH3COONa CH4
CH3Br C2H6
Ключ к решению - последняя стадия, в которой легко угадывается реакция Вюрца.
Уравнения реакций:
N2O4 = 2NO2 ,
B2 B
2NO2 + 2NaOH = NaNO3 + NaNO2 + H2O,
B Ba
NaNO2 + HCl = HNO2 + NaCl,
Ba Be
HNO2 + CH3COONa NaNO2 + CH3COOH,
Be Ne
CH3COOH + NaOH = CH3COONa + H2O,
Ne Na
CH3COONa + NaOH = CH4? + Na2CO3 ,
Na He
CH4 + Br2 = CH3Br + HBr,
He Hg
2CH3Br + 2Na = C2H6 + 2NaBr
Hg H2
ЗАДАЧА 6
Фермент рибонуклеаза катализирует гидролиз РНК по фосфодиэфирным связям. При полном гидролизе 100,0 г этого фермента было выделено 1,642 г глицина NH2CH2COOH (Mr = 75), 7,066 г цистеина HSCH2CH(NH2)COOH (Mr = 121) и 4,350 г метионина СH3S(CH2)2CH(NH2)COOH (Mr = 149).
1. Определите минимальную возможную молярную массу рибонуклеазы.
2. Рассчитайте массовую долю серы в этом ферменте.
1. Рассчитаем молярное соотношение аминокислот в образце фермента:
n(гли) : n(цис) : n(мет) =
= (1,642/75) : (7,066/121) : (4,350/149) = 3 : 8 : 4.
Если предположить, что это соотношение определяет число аминокислотных остатков в молекуле фермента, то можно найти количество фермента в образце массой 100 г: n(ферм) = n(гли)/3 = 0,0073. Отсюда можно оценить молярную массу фермента: M (ферм) = 100,0/0,0073 = 13 700 г/моль.
2. В одном моле рибонуклеазы массой 13 700 г содержится 12 молей серы (8 - в остатках цистеина и 4 - в остатках метионина) массой 12 " 32 = 384 г. Массовая доля серы в ферменте равна: w(S) = = 384/13 700 = 0,0280 ~ 2,80%.
ЗАДАЧА 7
Два соединения А и Б состава C7H8NCl, электропроводность водных растворов которых существенно различается, при обработке спиртовым раствором щелочи превращаются в вещество В состава C7H7N, нашедшее применение в промышленном синтезе полимеров.
1. Установите структурные формулы веществ А-В.
2. Напишите уравнения реакций.
3. Назовите свойства, которые придает полимерам включение в их цепи фрагментов вещества В.
Пусть водные растворы вещества А имеют высокую электропроводность. Тогда А имеет ионное строение и является солянокислым 4-винилпиридином. Отщепление хлористого водорода от пиридиниевой соли А дает вещество В - 4-винилпиридин. Это же вещество В образуется при отщеплении хлороводорода от неионного вещества Б - 2-хлор-1-(4-пиридил)этана:
Включение фрагментов 4-винилпиридина в состав полимеров придает последним свойства анионообменников.
ЗАДАЧА 8
Молекула себациновой (декандиовой) кислоты содержит две карбоксильные группы, разделенные длинной углеводородной цепью. Поэтому с высокой степенью точности можно считать, что константа этерификации карбоксильной группы не зависит от того, этерифицирована ли вторая карбоксильная группа. Пусть константа этерификации карбоксильной группы равна K. Рассчитайте, в каком молярном соотношении следует взять этанол и себациновую кислоту, чтобы после установления равновесия реакционная смесь содержала одинаковое количество моно- и диэфира.
Запишем уравнения реакций этерификации:
HOOCC8H16COOH + ROH
HOOCC8H16COOR + H2O,
HOOCC8H16COOR + ROH
ROOCC8H16COOR + H2O
Для краткости введем обозначения: C8H16(COOH)2 - A, HOOCC8H16COOR - моноэфир, ROOCC8H16COOR - диэфир. Выразим константы равновесия через равновесные концентрации веществ:
Разделив одно уравнение на другое, находим: [моноэфир] " [моноэфир] = [A] " [диэфир]. Учитывая, что по условию молярные концентрации эфиров равны, получаем: [моноэфир] = [диэфир] = [A]. Подставляя это равенство в выражение для константы равновесия, находим связь между равновесными концентрациями спирта и воды: [H2O] = K " [ROH].
Найдем начальные концентрации спирта и кислоты. Начальная концентрация спирта складывается из его равновесной концентрации и концентрации израсходованного спирта, которая, согласно уравнениям реакций, равна равновесной концентрации воды:
[ROH]0 = [ROH] + [H2O] = [ROH] " (1 + K )
Начальная концентрация кислоты складывается из ее равновесной концентрации и концентрации израсходованной кислоты, которая, согласно уравнениям реакций, равна сумме равновесных концентраций моно- и диэфира:
[A]0 = [A] + [моноэфир] + [диэфир]= 3 " [A].
Наконец, из уравнений реакций следует, что равновесная концентрация воды равна утроенной равновесной концентрации диэфира:
[H2O] = 3 " [диэфир]= 3 " [A] = [A]0 .
Исходное молярное отношение спирта и кислоты:
Авторы задач и решений:
IX класс - В.В. Загорский, Д.М. Жилин,
С.П. Михалев, Н.И. Морозова;
X класс - С.С. Чуранов, М.Д. Решетова,
П.А. Трошин, Д.А. Малышев;
XI класс - В.В. Еремин, Г.А. Середа,
Н.Ш. Пиркулиев, Ф.Н. Путилин
