|
|
Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате
Во время ремонта в лаборатории случайно покрасили одинаковой краской баллоны с водородом и метаном. Предложите три разных способа определения, в каком баллоне какой газ находится. Приведите, если нужно, уравнения реакций.
1. Можно использовать разницу в плотности (удельном весе) газов. Например, наполнить газами две предварительно уравновешенные колбы одинакового объема. Для колб объемом 1 л получим:
H2 : 2 i (1/22,4) = 0,089 г; CH4 : 16 i (1/22,4) = 0,714 г
Разница составит 0,625 г; следовательно, для анализа годятся простейшие лабораторные весы.
2. Если в лаборатории имеется жидкий азот, то достаточно пропустить выходящий из баллона газ через U-образную трубку, погруженную в жидкий азот (tкип = = -195,8?С). Метан, имеющий температуру кипения -164?С, будет конденсироваться в трубке в виде жидкости и даже может замерзнуть (его температура плавления -182,5?С). Водород (tкип = - 252,8?С) не будет конденсироваться при температуре жидкого азота.
3. Можно поджечь выходящий из тонкой трубки газ. Если метан предварительно не смешивать с воздухом, как это происходит в газовых плитах, он будет гореть светящимся пламенем, а при внесении в такое пламя холодного предмета последний закоптится:
CH4 + O2 = C + 2H2O внутренняя часть пламени
C + O2 = CO2 внешняя часть пламени
Если над пламенем метана подержать холодный предмет, смоченный известковой водой, она помутнеет от углекислого газа (это заметно даже в каплях):
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3+ + H2O.
В отличие от метана, водород горит почти невидимым бесцветным пламенем:
2H2 + O2 = 2H2O
ЗАДАЧА 2
Мама поручила юному химику "посмотреть за кашей". Вместо того, чтобы помешивать варящуюся кашу, он просто смотрел на эмалированную кастрюлю. В результате каша подгорела. Чтобы отмыть кастрюлю, юный химик залил ее 40%-ным раствором гидроксида натрия и подогрел. Нагар растворился, эмаль - тоже.
1. Почему без перемешивания каша подгорает?
2. Почему растворилась эмаль? Приведите возможные уравнения реакций.
3. Какие правила техники безопасности скорее всего нарушил юный химик?
1. Теплопроводность каши низкая, а перенос тепла конвекцией (за счет поднятия нагретых слоев вверх) в густой каше невозможен. Поэтому без перемешивания нижние слои каши перегреваются до обугливания (подгорают).
2. Эмали для покрытия металлов представляют собой смеси алюмосиликатов и боратов натрия и кальция с добавками оксидов олова и цинка (белые эмали), а также цветных оксидов кобальта, хрома, железа, меди. Качественный состав эмалей можно выразить формулой:
aNa2O " bCaO " cSiO2 " dB2O3 " kAl2O3 " mSnO2 " nZnO
При нагревании со щелочью образуются растворимые в воде соединения:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
B2O3 + 2NaOH = 2NaBO2 + H2O
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]
SnO2 + 2NaOH = Na2SnO3 + H2O
ZnO + 2NaOH + H2O = Na2[Zn(OH)4]
Если эмалированная кастрюля была алюминиевая, возможна реакция растворения самой кастрюли:
Al + NaOH + 3H2O = Na[Al(OH)4] + 1,5H2?
3. Юный химик использовал дома опасный 40%-ный раствор щелочи, да еще и в горячем виде. Раствор щелочи такой концентрации вызывает тяжелые химические ожоги кожи и очень опасен для глаз. Скорее всего, твердую щелочь (NaOH) он тоже хранил дома.
ЗАДАЧА 3
Автор средневекового алхимического трактата приводит следующий рецепт "водки для золота":
"Возьми совершенно сухого венгерского синего купороса и селитры, более фунта нашатырной соли. Сделай из этого крепкую водку в стеклянном, хорошо замазанном сосуде, снабженном стеклянной крышкой или колпаком".
1. Какие реактивы предлагает использовать алхимик? Приведите их формулы.
2. Как "сделать водку" из этих реактивов? Опишите последовательность операций, укажите условия проведения реакций.
3. Приведите уравнения реакций. Какой качественный состав имеет "водка для золота"?
4. Напишите уравнение реакции растворения золота в этой "водке".
1. Наиболее вероятные формулы реактивов алхимика:
"венгерский синий купорос" - CuSO4 " 5H2O;
селитра - KNO3 ; нашатырная соль - NH4Cl.
2. Сначала нужно получить серную кислоту ("купоросное масло") при прокаливании медного купороса в реторте и отгонке образующихся паров. Если купорос сначала нагревать, не собирая продукты реакции, можно заранее удалить часть кристаллизационной воды и получить при дальнейшем нагревании серную кислоту высокой концентрации.
Из серной кислоты и селитры нагреванием в реторте легко можно получить концентрированную азотную кислоту.
При растворении в азотной кислоте хлорида аммония образуется смесь соляной и азотной кислот - "крепкая водка" или "царская водка". Высокая активность "царской водки" объясняется наличием в ее растворе атомарного хлора и хлористого нитрозила NOCl.
3. Реакции:
CuSO4 " 5H2O CuO + H2SO4 + 4H2O
2KNO3 + H2SO4 K2SO4 + 2HNO3
HNO3 + NH4Cl NH4NO3 + HCl
HNO3 + 3HCl = 2Cl + NOCl + 2H2O
4. Растворение золота в "царской водке":
Au + HNO3 + 3HCl = AuCl3 + NO + 2H2O
ЗАДАЧА 4
В два стеклянных сосуда, соединенных с манометрами для измерения давления, поместили пучки медной проволоки, распределенные по всему объему сосудов. Затем первый сосуд наполовину заполнили 15%-ной соляной кислотой. Оставшийся объем сосуда заполнили кислородом до давления 1 атм. Второй сосуд наполовину заполнили 37%-ной соляной кислотой. Оставшийся объем второго сосуда заполнили аргоном до давления 1 атм. Оба сосуда изредка покачивали для перемешивания. Через некоторое время оказалось, что давление в обоих сосудах изменилось, причем в одном из них оно уменьшилось, а в другом увеличилось.
1. Какие реакции могли протекать в первом и втором сосудах? Приведите уравнения.
2. В каком сосуде давление уменьшилось и почему?
3. В каком сосуде давление увеличилось и почему?
4. Известно, что, согласно ряду напряжений (активности) металлов соляная кислота не реагирует с медью. Почему в описанных случаях возможно протекание реакций?
1. Медь в присутствии кислорода реагирует с соляной кислотой:
Cu + 1/2O2 + 2HCl = CuCl2 + H2O
В концентрированной соляной кислоте медь способна растворяться с выделением водорода за счет образования комплекса одновалентной меди:
2Cu + 4HCl = 2H[CuCl2] + H2?
2. Давление в первом сосуде уменьшилось, потому что кислород израсходовался на окисление меди.
3. Давление во втором сосуде возросло, потому что выделился водород.
4. Стандартный потенциал восстановления Cu2 + / Cu относительно водородного электрода равен + 0,34 В. Этот потенциал измеряется при концентрации ионов меди в растворе ровно 1 моль/л. В соответствии с таким значением потенциала медь не может восстанавливать водород из растворов разбавленных кислот. Однако потенциал восстановления одновалентной меди Cu+ / Cu значительно ниже, всего + 0,15 В, то есть медь "ближе" к водороду, хотя и со стороны неактивных металлов. Следовательно, в растворах с концентрацией ионов меди около 1 моль/л реакция Cu + HCl = CuCl + 1/2H2 все равно невозможна.
Однако при понижении концентрации ионов меди в растворе значение потенциала снижается и может стать даже отрицательным. Концентрация ионов меди снижается в концентрированной соляной кислоте благодаря комплексообразованию: CuCl + HCl = H[CuCl2]. В результате становится возможной реакция выделения водорода:
2Cu + 4HCl = 2H[CuCl2] + H2?
ЗАДАЧА 5
Лаборант решил обезвредить ртуть из разбитого термометра. Для этого он залил собранную ртуть смесью крепкой соляной кислоты с небольшим количеством азотной кислоты и оставил в закрытой банке на несколько суток. Получившийся белый осадок лаборант растворил в избытке азотной кислоты. Все работы лаборант выполнял на алюминиевом поддоне. Случайно пролитый на поддон сильнокислый раствор лаборант тщательно нейтрализовал содой и вытер. В результате неаккуратной работы у лаборанта сильно корродировали алюминиевый поддон и вилка, которой он пользовался в столовой.
1. Напишите уравнения упомянутых реакций.
2. Какие ошибки допустил лаборант?
3. Ваш младший брат (сестра) разбил медицинский термометр, взрослые придут не скоро. Что вы будете делать?
1. Уравнения реакций:
6Hg + 6HCl + 2HNO3 = 3Hg2Cl2 + 2NO + 4H2O
3Hg2Cl2 + 8HNO3 = 3HgCl2 + 3Hg(NO3)2 + 2NO + 4H2O
2HNO3 + Na2CO3 = 2NaNO3 + CO2? + H2O
3HgCl2 + 2Al = 2AlCl3 + 3Hg+
2Al + 1,5O2 = Al2O3 - реакция амальгамированного алюминия.
2. Ошибки лаборанта:
а) Нельзя пользоваться алюминиевыми поддонами при работе со ртутью; при образовании амальгамы - сплава алюминия со ртутью - оксидная пленка на алюминии теряет свои защитные свойства.
б) После работы со ртутью нужно тщательно мыть руки - ее следы вызвали коррозию вилки и могли вызвать отравление лаборанта.
3. Нужно собрать как можно тщательнее капельки ртути в герметичный сосуд. Оставшиеся микрокапли присыпать порошком серы. Можно также засыпать или залить место с капельками ртути бытовым отбеливателем, содержащим хлор (можно определить по запаху или по надписи на этикетке).
ЗАДАЧА 6
В колбе объемом 2,8 л содержится 7,0 г индивидуального газа при 0?С и 2 атм.
1. Какой это может быть газ? Приведите не менее трех вариантов ответа.
2. Для каждого варианта напишите уравнение реакции этого газа с кислородом.
1. 7,0 г неизвестного газа занимают при нормальных условиях объем:
2,8 " (2/1) = 5,6 л. Тогда 1 моль этого газа имеет массу 7,0 " (22,4/5,6) = 28 г. Такой молярной массе соответствуют оксид углерода (II) CO, азот N2 , этилен C2H4 , а также индивидуальный газ, в состав которого входят изотопы водорода (дейтерий) - дейтероацетилен C2D2 . Такую же молярную массу имеет образованный изотопом углерода-13 ацетилен 13C2H2 .
Подходит также диборан B2H6 (М = 27,6).
2. Реакции с кислородом:
2CO + O2 = 2CO2
C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O
C2D2 + 2,5O2 = 2CO2 + D2O
N2 + O2 = 2NO - в электрическом разряде.
ЗАДАЧА 7
В качестве консервирующей добавки при производстве газированных (шипучих) вин используется оксид серы (IV) (сернистый ангидрид) в количестве до 400 мг на литр вина. Растворимость оксида углерода (IV) в газированных напитках - около 800 мл газа на литр жидкости при комнатной температуре (20?С).
1. Сколько процентов по объему сернистого ангидрида содержит углекислый газ, используемый для производства шипучих вин?
2. Как обнаружить примесь сернистого ангидрида в углекислом газе? Приведите уравнения реакций.
1. В 1 л вина содержится 400 мг оксида серы (IV), или 0,400/64 = 0,00625 моль. В том же литре растворено 800 мл углекислого газа при 20?С. Это соответствует 0,8 " (273/293) = 0,745 л газа при н.у., или 0,745/22,4 = = 0,033 моль.
Тогда объемное содержание сернистого ангидрида в газовой смеси с углекислым газом составит: 0,00625/(0,033 + 0,00625) = 0,158 или 15,8%.
2. В отличие от углекислого газа (оксид углерода (IV)), сернистый ангидрид (оксид серы (IV)) проявляет свойства восстановителя. Поэтому его легко обнаружить по реакции с сильными окислителями. Например, если содержащий примесь сернистого ангидрида углекислый газ пропускать в подкисленный раствор перманганата калия, раствор обесцветится:
5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O = 2MnSO4 + K2SO4 + 2H2SO4
ЗАДАЧА 8
Лаборант случайно разбил склянку с реактивом. На полу среди бесцветных кристаллов лежал кусок этикетки с надписью: "_стый перегнанный". Догадавшись, что было в банке (соль, не содержащая редких или ядовитых элементов), лаборант стал убирать с пола остатки мокрой тряпкой... Произошел довольно громкий хлопок, комната наполнилась клубами очень едкого тумана. Удивленный лаборант (к счастью, он работал в маске) решил проанализировать оставшиеся кристаллы. Навеску массой 0,445 г он осторожно растворил в 100 мл 5%-ной азотной кислоты и добавил избыток раствора азотнокислого серебра. Выпал белый творожистый осадок, масса которого после высушивания составила 1,435 г. Результаты анализа соответствовали первоначальной догадке лаборанта.
1. Какой состав имела соль из разбитой банки?
2. Почему эта соль бурно реагировала с мокрой тряпкой?
3. Почему лаборант растворял соль не в воде, а в разбавленной азотной кислоте?
4. Почему эту соль можно очищать перегонкой? В каких условиях это делают?
5. Можно ли убирать данный реактив мокрой тряпкой, если на этикетке написано "кристаллический"? Чем отличается "кристаллический" реактив от "перегнанного"?
1. Белый творожистый осадок, образующийся из нитрата серебра и нерастворимый в разбавленной азотной кислоте, - это хлорид серебра:
Cl- + Ag+ = AgCl+
1,435 г хлорида серебра составляют 0,01 моль; соответственно, в 0,445 г неизвестной соли содержится 0,01 моль, или 0,355 г хлора. Тогда на 1 моль хлора в этой соли приходится 100 " (0,445 - 0,355) = 9 г второго элемента (металла). Подходит только трехвалентный металл (3 " 9 = 27) - алюминий.
Из данных анализа следует, что в разбитой банке был безводный хлорид алюминия AlCl3 .
2. Безводный хлорид алюминия бурно реагирует с водой, образуя кристаллогидрат:
AlCl3 + 6H2O = AlCl3 " 6H2O + 272 кДж
Кроме того, из-за гидролиза происходит выделение хлороводорода (см. ниже).
3. В воде соли алюминия сильно гидролизуются с выделением осадка основных солей:
AlCl3 + 2H2O = Al(OH)2Cl+ + 2HСl
Поэтому растворять соль следует в разбавленной кислоте.
4. Безводный хлорид алюминия существует в виде димера Al2Cl6 со слабыми межмолекулярными связями. Поэтому он легко возгоняется при 183?С и атмосферном давлении. Обычно безводный хлорид алюминия очищают перегонкой в вакууме при более низких температурах.
5. Маркировку "кристаллический" используют для кристаллогидратов солей. В случае хлорида алюминия это - гексагидрат AlCl3 " 6H2O. В таком случае соль не будет бурно реагировать с водой, и ее можно убрать мокрой тряпкой.
ЗАДАЧА 9
Напишите формулы и названия всех известных Вам кислот, образованных хлором, водородом и кислородом.
1. Для каких из перечисленных кислот хлора существуют аналогичные кислоты фтора? Напишите их формулы и названия.
2. Какие степени окисления проявляют фтор и хлор в этих кислотах? Сколько связей они при этом образуют? Объясните на основании электронного строения атома, почему не для всех кислот хлора есть аналогичные кислоты фтора.
1. Устойчивая кислота фтора только одна - фтороводородная или плавиковая, HF. Фтор проявляет степень окисления -1 и образует одну связь.
2. У фтора на внешней оболочке один неспаренный электрон, при объединении его с электроном другого атома образуется одна ковалентная связь. Большее число связей фтор образовать не может, поскольку не может отдавать свои электроны. Хлор, в отличие от фтора - элемент 3 периода, у него во внешнем слое имеется свободный 3d-подуровень, куда могут переходить электроны с 3p и 3s. Например, если туда переходит один электрон, то у хлора возникает 3 неспаренных электрона, которые могут образовать 3 ковалентные связи. А у фтора такой возможности нет.
ЗАДАЧА 10
В каких случаях при разложении безводных солей образуются свободные металлы? Приведите не менее трех разных примеров, напишите уравнения реакций.
1. С образованием металла разлагаются при нагревании галогениды (кроме фторидов) металлов с наибольшими значениями электродных потенциалов, например, платины и золота:
PtCl2 = Pt + Cl2
2AuI = 2Au + I2
2. Кислородсодержащие соли разлагаются с образованием металла в том случае, если соответствующий оксид является термически неустойчивым и способен разлагаться на кислород и металл, например:
2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2
3. Если анион обладает сильными восстановительными свойствами, то возможно образование металла даже в тех случаях, когда металл имеет достаточно отрицательное значение стандартного электродного потенциала:
Ni(CN)2 = Ni + 2C + N2
CoC2O4 = Co + 2CO2
4. Как исключение, свободные металлы, электродные потенциалы которых имеют наиболее отрицательные значения, могут образоваться при разложении некоторых термически неустойчивых солей, представляющих собой бинарные соединения:
2NaN3 = 2Na + 3N2
ЗАДАЧА 1
Одним из недавно разработанных методов гидрирования углеводородов является обработка непредельного соединения литием и гексагидратом хлорида никеля. Напишите уравнения возможных реакций, протекающих при гидрировании гексена-1, и объясните роль каждого из компонентов смеси в процессе гидрирования.
При реакции лития с гидратом соли никеля выделяется водород и образуется металлический никель в мелкораздробленном состоянии:
NiCl2 " 6H2O + 8Li Ni + 3H2 + 2LiCl + 6LiOH
Образующийся никель является катализатором гидрирования, а выделяющийся водород на поверхности никеля присоединяется к алкену
CH3(CH2)3CH=CH2 + H2 CH3(CH2)4CH3
ЗАДАЧА 2
При изготовлении "золотой" и "серебряной" красок используют порошкообразные металлы или их сплавы. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно установить, что является основным компонентом:
а) "серебряного" порошка - серебро, алюминий или "новое серебро" (нейзильбер);
б) "золотого" порошка - золото, бронза или латунь.
(В ответе укажите на характерные признаки протекающих реакций, наблюдая которые вы будете устанавливать состав порошков: появление осадка и его цвет, изменение окраски раствора, выделение газа и т.д.)
а) Если в состав "серебряного порошка" входит алюминий, то проба этого порошка будет растворяться в растворах щелочей с выделением горючего газа
2Al + 2NaOH + 6H2O 2NaAl(OH)4 + 3H2?
Если в состав этого порошка входит серебро или "новое серебро" (нейзильбер - сплав, который содержит медь, 5-35% никеля и 13-45% цинка), то с раствором щелочи порошок реагировать не будет (нейзильбер, хотя и содержит цинк, способный в измельченном состоянии реагировать с раствором щелочи, обладает достаточно высокой коррозионной устойчивостью - в этом заключается отличие сплавов от смеси металлов). При действии азотной кислоты серебро растворяется с образованием бесцветного раствора нитрата серебра. Часто техническое серебро (серебряные сплавы) может содержать некоторое количество меди и полученный азотнокислый раствор может быть окрашен, например, иметь синий оттенок. Наличие серебра в этих растворах может быть доказано выпадением белого осадка хлорида серебра, растворимого в водном растворе аммиака с образованием бесцветного раствора
3Ag + 4HNO3 3AgNO3 + NO + 2H2O
AgNO3 + NaCl AgCl+ + NaNO3
AgCl + 2NH3 Ag(NH3)2Cl
"Новое серебро" также может быть переведено в раствор действием азотной кислоты. При этом образуется сине-зеленый раствор солей меди (II), никеля (II) и цинка (II)
Cu + 4HNO3 Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Ni + 4HNO3 Ni(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Zn + 4HNO3 Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Наличие меди в полученном после разбавления растворе может быть, к примеру, доказано реакцией замещения по появлению красного налета меди на поверхности более активного металла
Cu(NO3)2 + Fe Fe(NO3)2 + Cu+
Не следует забывать, что в таком растворе необходимо доказать отсутствие серебра по указанным выше причинам. Наличие в растворе солей никеля доказывается, например, качественной реакцией с диметилглиоксимом. Чаще всего "серебряный порошок" представляет собой мелкоизмельченный алюминий ("алюминиевая пудра").
б) Если "золотой порошок" представляет собой мелкоизмельченное золото или его сплавы с серебром и медью, то такой образец не будет реагировать с азотной кислотой. Его можно перевести в раствор действием "царской водки"
Au + HNO3 + 4HCl HAuCl4 + NO +2H2O
Латунь (сплав меди с цинком) и бронза (сплав меди с оловом) обладают достаточно высокой коррозионной устойчивостью. Их можно перевести в раствор действием азотной кислоты. Латунь при этом образует окрашенный раствор за счет солей меди. При добавлении к такому раствору щелочи вначале выпадает осадок смеси гидроксидов меди и цинка
Cu(NO3)2 + 2NaOH Cu(OH)2+ + 2NaNO3
Zn(NO3)2 + 2NaOH Zn(OH)2+ + 2NaNO3
При добавлении избытка щелочи часть осадка (амфотерный гидроксид цинка) растворяется
Zn(OH)2 + 2NaOH Na2[Zn(OH)4]
и из полученного раствора гидроксид цинка может быть снова осажден по реакции
Na2[Zn(OH)4] + 2NH4Cl Zn(OH)2+ + 2NaCl + 2NH3
Нерастворимая часть осадка - гидроксид меди - при нагревании образует черный оксид меди (II)
Cu(OH)2 CuO + H2O
Бронза не будет полностью растворяться даже при нагревании в 50-60%-ной азотной кислоте: медь при этом будет переходить в раствор, а олово превратится в нерастворимый в кислотах оксид олова (IV)
Sn + 4HNO3 SnO2 + 4NO2 + 2H2O
В качестве "золотого порошка" часто используют мелкоизмельченную бронзу, а также некоторые сульфиды, например, FeS2 , As2S3 , имеющие золотистый цвет.
ЗАДАЧА 3
При сливании 50 мл раствора соли А и 50 мл раствора соли Б выпало 2,69 г осадка, содержащего по данным элементного анализа 1,5% водорода, 14,9% кальция, 23,8% серы, 24,2% цинка и кислород. При упаривании фильтрата получают менее 0,01 г сухого остатка.
1. Установите формулы солей.
2. Напишите уравнение проведенной реакции.
3. Вычислите содержание солей в исходных растворах в г/л.
Масса вещества, оставшегося в растворе (< 0,01 г) значительно меньше массы выпавшего осадка. Это может произойти в случае, когда обе исходные соли прореагировали полностью с образованием осадка, а один или оба компонента осадка очень незначительно растворимы в воде. В состав осадка входит кислород. Его массовая доля: 100 - 1,5 - 14,9 - 23,8 - 24,2 = 35,6%. Атомное соотношение элементов в выпавшем осадке: Н : Ca : S : Zn : O = (1,5/1) : (14,9/40) : (23,8/32) : : (24,2/65) : (35,6/16) = 4 : 1 : 2 : 1 : 6. Отсюда простейшая "формула осадка" - H4CaZnSO6 . Наиболее разумный выбор может быть сделан при условии, что по крайней мере один из осадков представляет кристаллогидрат, а сера в солях находится в разных степенях окисления. При этих предположениях условию задачи отвечает реакция между растворами сульфида кальция и сульфата цинка
ZnSO4 + CaS + 2H2O = ZnS+ + CaSO4 " 2H2O.
Суммарная молярная масса солей М1 + М2 = 97 + + 172 = 269 г/моль, то есть было получено по 2,69/269 = = 0,01 моль каждого из компонентов осадка. В соответствии с уравнением реакции в каждом из исходных растворов (в 50 мл) содержалось по 0,01 моль ZnSO4 (1,61 г) и CaS (0,72 г). Следовательно, для проведения опыта были использованы раствор ZnSO4 с концентрацией 1,61/0,05 = 32,2 г/л и раствор CaS с концентрацией 0,72/0,05 = 14,4 г/л.
ЗАДАЧА 4
Жидкость А получена упариванием при 150-200?С водного раствора соединения Х, которое широко используется в технике. При полном сгорании образца А массой 2,84 г в атмосфере кислорода образовалось только 3,52 г диоксида углерода и 2,52 г воды.
1. Установите молекулярную формулу вещества Х и количественный состав жидкости А.
2. Предложите возможные структурные формулы вещества Х и выберите из них наиболее вероятную, отвечающую условию задачи.
3. Как называют выбранное вами соединение Х в технике и в справочной литературе? Какие оно находит практические применения?
При сгорании 2,84 г жидкости А получено 3,52 г СО2 , которые содержат 3,52 " 12/44 = 0,96 г углерода, и 2,52 г воды, которые содержат 2 " 2,52/18 = 0,28 г водорода. Сумма масс углерода и водорода меньше массы взятого образца. Эта разность масс соответствует массе кислорода, входящего в состав А (так как получены только СО2 и Н2О). Масса кислорода: m(O) = 2,84 - - 0,96 - 0,28 = 1,6 г.
Атомное соотношение элементов, входящих в состав А: C : H : O = (0,96/12) : (0,28/1) : (1,6/16) = 4 : 14 : 5. Индивидуального вещества с формулой С4Н14О5 не существует, как как число атомов водорода в ней превышает число атомов водорода в бутане и его кислородсодержащих производных С4Н10Ох . Избыточное содержание водорода может свидетельствовать о наличии в жидкости А некоторого количества воды, то есть в условиях задачи не удается полностью удалить всю воду, прочно удерживаемую веществом Х.
В этом случае одно из простейших соотношений, при котором может быть получен разумный ответ, заключается в том, что жидкость А содержит 2 моля С2Н6О2 и 1 моль Н2О. Молекулярной формуле С2Н6О2 соответствует пять возможных структур НОСН2СН2ОН (1), [CH3CH(OH)2] (2), CH3OOCH3 (3), СН3СН2ОО (4), [CH3OCH2OH] (5). Пероксиды 3 и 4 не могут выдержать длительного нагревания при повышенной температуре (200?С). Вещества с формулами 2 (гидрат ацетальдегида), и 5 (монометилацеталь формальдегида) в индивидуальном виде выделить нельзя, как как они разлагаются с образованием СН3СНО и Н2О (2) и СН3ОН и СН2О (5). Остается этандиол-1,2 (1) (этиленгликоль) - высококипящая вязкая жидкость, достаточно прочно удерживающая воду за счет образования большого числа водородных связей. Этиленгликоль широко используется в технике для приготовления растворов, замерзающих при низких температурах и применяемых для охлаждения двигателей (антифризы). Следовательно, жидкость А представляет собой 87%-ный раствор этандиола-1,2 (на 2 моля С2Н6О2 с М = 62 приходится 1 моль Н2О с М = 18).
Жидкость А могла бы иметь состав С4Н10О3 + 2Н2О, С4Н8О2 + 3Н2О, С4Н6О + 4Н2О или C4H6O + 5H2O, но органические вещества такого состава или не образуют высококипящих водных растворов, или не используются достаточно широко в технике.
ЗАДАЧА 5
Продукты полного сгорания 0,512 г смеси бензола, стирола и циклогексана в избытке кислорода были пропущены последовательно через трубку с сульфатом меди и сосуд, содержащий 17,5 мл 16,25%-ного раствора едкого кали (плотность раствора 1,142 г/мл). Масса трубки при этом возросла на 0,504 г.
1. Напишите уравнения проведенных реакций.
2. Вычислите массовые доли соединений, содержащихся в растворе после окончания поглощения продуктов сгорания.
Сгорание компонентов смеси происходит по уравнениям
2С6Н6 + 15О2 = 12СО2 + 6Н2О
С8Н8 + 10О2 = 8СО2 + 4Н2О
С6Н12 + 9О2 = 6СО2 + 6Н2О
При этом весь водород, входивший в состав углеводородов, образовал воду, а углерод - углекислый газ. Пары образовавшейся воды поглощаются сульфатом меди
CuSO4 + 5H2O = CuSO4 " 5H2O
По условию, было поглощено 0,504 г воды, содержащей 0,504 " 2/18 = 0,056 г водорода. В состав углеводородной смеси входило 0,512 - 0,056 = 0,456 г углерода и, соответственно, было получено углекислого газа n(CO2) = n(C) = 0,456/12 = 0,038 моль. При поглощении СО2 раствором щелочи могут происходить реакции
СО2 + 2КОН = К2СО3 + Н2О
К2СО3 + СО2 + Н2О = 2КНСО3
Взятый раствор содержит n(KOH) = 17,5 " 1,142 i i 16,25/(56 " 100) = 0,058 моль КОН (М = 56). По уравнению реакции (4), с 0,058 моль КОН прореагирует 0,029 моль СО2 . При этом образуется 0,029 моль К2СО3 , и останется 0,038 - 0,029 = 0,009 моль СО2 . Эти 0,009 моль СО2 с 0,029 моль K2CO3 по уравнению (5) дадут 0,018 моль КНСО3 (М = 100), или 1,8 г. В растворе останется 0,029 - 0,009 = 0,02 моль К2СО3 (М = 138) массой 2,76 г. Масса исходного раствора 17,51 " 1,142 = = 20 г возрастает на массу поглощенного СО2 (M = 44): m(CO2) = 0,038 " 44 = 1,67 г и становится равной: m(р-ра) = 20 + 1,67 = 21,67 г. Массовые доли веществ в растворе: w(КНСО3) = 1,8/21,67 = 0,083, или 8,3%; w(K2CO3) = 2,76/21,76 = 0,127, или 12,7%.
ЗАДАЧА 6
При медленном растворении 10,0 г смеси мелкоизмельченного металлического железа с его оксидами (II и III) в избытке 10%-ной соляной кислоты (плотность 1,05 г/мл) выделяется 604 мл газа, измеренного при 20?С и давлении 756 мм рт. ст.
1. Напишите уравнения химических реакций, протекающих при растворении смеси.
2. Вычислите минимальное и максимальное содержание каждого из компонентов смеси (в процентах по массе).
3. Вычислите возможные минимальный и максимальный объемы кислоты, необходимые для растворения смеси.
Отдельные компоненты смеси растворяются в соляной кислоте
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O
Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O
Однако соединения железа (III) восстанавливаются как металлами, так и водородом "в момент выделения", поэтому при избытке железа вместо реакции (3) будет происходить реакция
Fe + Fe2O3 +6HCl = 3FeCl2 + 3H2O
(водород при этом не выделяется)
Избыточное количество железа можно вычислить по уравнению (1): n(H2) = PV / RT = 0,025 моль, m(Fe) = = 0,025 " 56 = 1,4 г. Для вычисления минимального и максимального содержания компонентов можно рассмотреть два предельных случая: w(Fe2O3) = 0 и w(FeO) = 0.
Если содержание Fe2O3 пренебрежимо мало, то помимо 1,4 г Fe в 10 г смеси может входить до 8,6 г FeО, то есть минимальное содержание Fе составляет 14%, а максимальное содержание FeO равно 86%. Если содержание FeO в смеси пренебрежимо мало, то помимо 1,4 г Fe, выделяющего водород, в 10 г смеси может входить до 8,6 г эквимолярной смеси Fe : Fe2O3 = 1 : 1. В соответствии с уравнением (4), 216 г смеси содержат 56 г Fe и 160 г Fe2O3 , а 8,6 г смеси содержат х г Fe и y г Fe2O3 . При этом х = 8,6 " 56/216 = 2,23; y = 8,6 - 2,23 = 6,37. Тогда суммарная максимальная масса железа: m(Fe) = = 1,4 + 2,23 = 3,63 г (36,3%).
Таким образом, массовые доли веществ в смеси могут меняться в пределах: 14% < w(Fe) < 36,3%, 0 < < w(FeO) < 86%; 0 < w(Fe2O3) < 63,7%.
Расход соляной кислоты будет одинаковым для всех смесей указанного состава, так как на растворение любого количества стехиометрической смеси Fe + + Fe2O3 = "Fe3O3" = 3FeO расходуется такое же количество HCl, как и на растворение FeO. По уравнению реакции (1), 0,025 моль Fe реагирует с 0,05 моль HCl. По уравнению реакции (2), с 8,6/72 = 0,12 моль FeO реагирует 0,24 моль HCl. Всего с 10 г смеси, содержащей от 14% до 36,3% Fe, прореагирует 0,29 моль HCl массой 0,29 " 36,5 = 10,6 г и объемом раствора 10,6/0,1/1,05 = = 100,8 мл.
ЗАДАЧА 7
Избыток газообразного бромоводорода пропускают в раствор стирола в толуоле в присутствии органического пероксида. Напишите уравнения всех протекающих реакций.
Протекание реакций существенно зависит от содержания органического пероксида в растворе. Если содержание пероксида незначительно (каталитические количества), то в первую очередь будет протекать реакция свободнорадикального присоединения бромоводорода по двойной связи стирола против правила Марковникова
С6Н5СН=СН2 + НВr С6Н5СН2CH2Br
Если содержание пероксида будет сопоставимо с содержанием остальных соединений, то в первую очередь будет протекать окисление бромоводорода с выделением свободного брома
2HBr + ROOH ROH + Br2 + H2O
Образующийся бром будет присоединяться по двойной связи стирола с образованием (1,2-дибромэтил)бензола
С6Н5СН=СН2 + Br2 C6H5CHBrCH2Br
и в присутствии пероксида бромировать толуол в боковую цепь по свободно-радикальному механизму
C6H5CH3 + Br2 C6H5CH2Br + HBr.
Глубина замещения водородов метильной группы (образование бромистого бензила, бромистого бензилидена или a,a,a-трибромтолуола) зависит от концентрации брома, то есть от количества органического пероксида.
ЗАДАЧА 8
При взаимодействии предельных углеводородов с хлором образуются смеси хлоропроизводных сложного состава. Разделение этих смесей, содержащих, в том числе, и изомерные вещества с весьма близкими физическими свойствами, в лабораторных условиях представляет собой очень трудную экспериментальную задачу и часто просто невыполнимо. Поэтому для получения индивидуальных соединений обычно используют синтетические методы, позволяющие получать каждое из веществ с высоким выходом.
1. Сколько может существовать хлорэтанов С2Н6-хСlх ? Напишите их структурные формулы.
2. Предложите схемы синтеза каждого их этих соединений, исходя из этанола. Укажите в схемах необходимые реагенты и условия проведения реакций.
Существуют 9 хлорпроизводных этана: СН3CH2Cl (I), ClCH2CH2Cl (II), CH3CHCl2 (III), ClCH2CHCl2 (IV), CH3CCl3 (V), CHCl2CHCl2 (VI), CH2ClCCl3 (VII), CCl3CHCl2 (VIII), C2Cl6 (IX).
1) Этилхлорид (I) может быть получен действием концентрированной серной кислоты на смесь хлорида натрия и этанола
C2H5OH + NaCl + H2SO4
C2H5Cl (I) + NaHSO4 + H2O.
Остальные хлорпроизводные этана могут быть получены, например, реакциями присоединения HCl и Cl2 к непредельным соединениям.
2) C2H5OH H2C=CH2 + H2O
H2C=CH2 + Cl2 ClCH2CH2Cl (II)
(реакция протекает в газовой фазе)
3) ClCH2CH2Cl CH2=CHCl + HCl
CH2=CHCl + HCl CH3CHCl2 (III)
(присоединение происходит по правилу Марковникова, для проведения реакции целесообразно использовать катализатор, например, AlCl3)
4) CH2=CHCl + Cl2 ClCH2CHCl2 (IV)
5) ClCH2CHCl2 + 2KOH
HC╞CH + 2KCl + 2H2O
HC╞CH + 2Cl2 CHCl2CHCl2 (VI)
(реакцию следует проводить в инертном растворителе, например, в СCl4 , как как ацетилен самовоспламеняется в атмосфере хлора: С2Н2 + Cl2 2HCl + 2C)
6) ClCH2CHCl2 CCl2=CH2 + HCl
(отщепление первой молекулы HCl слабым основанием протекает по правилу Зайцева)
CCl2=CH2 + HCl CH3CCl3 (V)
(присоединение протекает по правилу Марковникова)
7) CCl2=CH2 + Сl2 CH2ClCCl3 (VII)
(реакция протекает при пропускании газообразного хлора в жидкий дихлорэтилен)
8) CHCl2CHCl2 СCl2=CHCl + HCl
СCl2=CHCl + Cl2 CCl3CHCl2 (VIII)
9) CCl3CHCl2 CCl2=CCl2 + HCl
CCl2=CCl2 + Cl2 C2Cl6 (IX)
ЗАДАЧА 9
Для получения различных карбениевых ионов R1R2R3C+ используют либо реакции присоединения протона или других электрофильных агентов к двойной связи С=С (С=Х), либо реакции гетеролитического разрыва связи R1R2R3C-Х. При этом ионизация идет тем легче, чем стабильнее уходящая группа Х, поэтому в случае малоустойчивых карбокатионов ионизацию инициируют действием солей серебра (отщепляется галогенид серебра) или сильных кислот Льюиса типа SbF5 (отщепляется устойчивый анион типа ). Аналогичные реакции с образованием алкенильных катионов R1R2C=С(R3)+ также описаны, но реализовать их гораздо труднее из-за меньшей устойчивости винильных катионов. Однако все попытки получить ацетиленовый катион RC╞C+ реакцией ионизации были безуспешными из-за еще большей нестабильности катионов такого типа (очевидно, реакция присоединения электрофилов к кратной связи здесь в принципе невозможна). Даже диазониевые катионы типа оказываются совершенно устойчивыми, не теряя молекулу азота даже при нагревании. Тем не менее, ацетиленовые катионы все же были генерированы (хотя и в очень малом количестве), и изучены их реакции с различными реагентами.
Предложите возможный способ получения таких катионов.
R1C╞CH превращают в R1C╞CТ действием сначала сильного основания, а затем Т2О:
R1C╞CH + NaNH2 R1C╞CNa + NH3
R1C╞CNa + T2O R1C╞CТ + NaOT
Тритий радиоактивен, он распадается с потерей b-частицы (электрона) и образованием ядра атома гелия. В результате R1C╞CТ превращается в R1C╞CHe+, который и распадается на ацетиленовый катион и атом гелия:
R1C╞CТ b + [R1C╞CHe]+ R1C╞C+ + He0
ЗАДАЧА 10
Один из гальванических элементов представляет собой стеклянный сосуд, в который погружен керамический сосуд из обожженной пористой глины. В оба сосуда помещают разбавленные растворы серной кислоты: в стеклянный - 5%-ный раствор, в керамический - 10%-ный раствор. Если теперь в сосуды поместить пластины из платинированного угля и замкнуть цепь, то в цепи появляется электрический ток.
1. Напишите уравнения реакций, протекающих при работе этого элемента.
2. Поясните принцип действия гальванического элемента, подтвердив его расчетом.
3. В каком из растворов находится отрицательный полюс элемента?
4. Будет ли работать этот элемент при замене раствора серной кислоты: а) на соляную кислоту, б) на раствор щелочи, в) на раствор хлорида натрия? Ответ поясните.
Использованные для создания гальванического элемента 5%-ный и 10%-ный растворы серной кислоты отличаются концентрациями ионов водорода, которые могут принимать электроны
2Н+ + 2е- = Н2
с образованием водорода. Эти растворы отличаются энергией образования (при разбавлении серной кислоты за счет гидратации выделяется энергия в форме теплоты), а, следовательно, имеют разные химические потенциалы, что приводит при замыкании цепи к возникновению разности электрохимических потенциалов. В более разбавленном растворе имеется большее количество молекул воды, которые под действием разности потенциалов могут терять электроны
2Н2О - 4е- = О2 + 4Н+
При этом в замкнутой электрической цепи возникает ток электронов от раствора с низкой концентрацией (отрицательный полюс гальванического элемента) к раствору с более высокой концентрацией (положительный полюс элемента). В основе действия элемента лежит разложение воды
2Н2О = 2Н2 + О2
ЭДС элемента определяется не только разностью стандартных потенциалов, но и другими факторами - температурой, концентрациями окислителя и восстановителя.
Если предположить, что в сосудах находится по 100 г 5%-ного и 10%-ного растворов кислоты, то при разложении одного моля воды масса раствора в сосудах изменится не одинаково. У положительного полюса при этом выделится 1 моль водорода (2 г) и концентрация кислоты возрастет от 10% до 10/98 = 0,102, или 10,2%, у отрицательного полюса гальванического элемента при этом выделяется 0,5 моль (16 г) кислорода, и концентрация кислоты возрастает от 5% до 5/84 = = 0,0595, то есть почти до 6%. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока концентрация кислоты в обоих сосудах не выравняется или пока электропроводность растворов, связанная с уменьшением диссоциации серной кислоты, не станет слишком низкой.
Такой концентрационный элемент в принципе должен работать и при замене серной кислоты на соляную, но при этом у отрицательного полюса вместе с выделением хлора будет происходить разрушение платинового покрытия
Pt + 4Cl- - 2e-
2Cl- - 2e- Cl2
В растворах NaCl и NaOH концентрация ионов Н3О+ (Н+) слишком мала, чтобы обеспечить разность потенциалов, достаточную для работы элемента.
ЗАДАЧА 1
Для полного сгорания 20 мл вещества А и такого же количества вещества Б потребовалось одинаковое количество кислорода. Продукты сгорания А были полностью поглощены щелочью, а после обработки избытком щелочи продуктов сгорания Б было получено 20 мл газа В, не поддерживающего горения. Определите возможные структуры А и Б.
Брутто-формулы А и Б отличаются только элементом, не соединяющимся с кислородом и образующим при сгорании газ В, не поддерживающий горения. Это - азот. Так как при сжигании 20 мл Б образовалось 20 мл N2 , один моль Б содержит 2 моль N. Вещество Б может быть диамином, тогда А - углеводород. Простейший вариант решения: А - пропан, C3H8 ; Б - 1,2-диаминоциклопропан, C3H4(NH2)2 .
Уравнения реакций:
C3H8 + 5O2 = 3CO2? + 4H2O,
C3H4(NH2)2 + 5O2 = N2? + 3CO2? + 4H2O.
Ответ: А - C3H8 , Б - C3H4(NH2)2 , В - N2 .
ЗАДАЧА 2
Два индивидуальных вещества A и Б (жидкости при обычных условиях) реагируют между собой в присутствии каталитических количеств воды с образованием кристаллической соли В, которая при нагревании разлагается на два простых вещества.
1. Что представляют собой вещества A-В? Предложите два варианта решения.
2. Напишите уравнения реакций.
Вещества А и Б могут быть простыми или сложными.
а) Простые вещества-жидкости - ртуть и бром, они реагируют с образованием бромида ртути, который при нагревании разлагается:
Hg + Br2 HgBr2 Hg + Br2 .
б) Сложные вещества А и Б могут представлять собой кислоту и основание, причем состоящие из одних и тех же двух элементов. Возможный вариант: азидоводородная кислота HN3 и гидразин N2H4 .
N2H4 + HN3 =
2[N2H5]N3 5N2 + 5H2 .
Ответ: 1) А - Hg, Б - Br2 , В - HgBr2 ;
2) A - HN3 , Б - N2H4 , В - [N2H5]N3 .
ЗАДАЧА 3
В одном из решений задач Соросовской Олимпиады было приведено уравнение реакции: NaOH + Ne = NeOH + Na. Это уравнение содержит две грубые ошибки: гидроксид неона не существует, а неон не вступает в реакцию замещения с NaOH. Тем не менее, известно, что неон способен реагировать с некоторыми веществами в определенных условиях.
1. Какие соединения гелия, неона и аргона вы знаете (или предполагаете их существование)?
2. Как их можно получить? Напишите уравнения реакций.
1. Многие соединения гелия, неона и аргона существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбужденные электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий, неон и аргон образуют двухатомные молекулы He2 , Ne2 , фториды NeF, ArF, хлориды HeCl, NeCl, оксид ArO.
2. Эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или УФ излучения на смесь инертного газа и фтора (хлора):
Ar* + F2 ArF* + F,
Ar* + Cl2 ArCl* + Cl
(звездочка обозначает возбужденное электронное состояние).
ЗАДАЧА 4
Выдающийся датский физик Нильс Бор в 1943 г. был вынужден бежать в Англию из оккупированного немцами Копенгагена, чтобы избежать ареста. Его тайно вывезли на бомбардировщике, в бомбовом отсеке. Бору пришлось оставить все ценные вещи дома, однако он успел кое-что предпринять для их сохранности. Так, он растворил одну из своих научных наград - золотую медаль имени Макса Планка - в специальной жидкости и оставил раствор на полке. Вернувшись домой после войны, он выделил золото из этого раствора, и ему снова отчеканили медаль.
1. Назовите четыре реактива, которые можно использовать для растворения золота, и напишите уравнения соответствующих реакций. Какой из этих реактивов, по-вашему, использовал Бор?
2. Предложите способ регенерации золота из раствора, полученного Бором.
1. Золото растворяется в:
а) царской водке
Au + HNO3 + 4HCl = H[AuCl4] + NO + 2H2O;
б) насыщенной хлором соляной кислоте:
2Au + 3Cl2 + 2HCl = 2H[AuCl4];
в) водных растворах цианидов на воздухе:
4Au + 8NaCN + O2 + 2H2O = 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH;
г) горячей селеновой кислоте:
2Au + 6H2SeO4 = Au2(SeO4)3 + 3SeO2 + 6H2O.
Н. Бор для растворения золота использовал царскую водку.
2. Для извлечения золота из раствора золотохлористоводородной кислоты можно использовать реакции восстановления. На практике в качестве восстановителя используют сульфит натрия:
2H[AuCl4] + 3Na2SO3 + 3H2O = 2Au+ + 3Na2SO4 + 8HCl.
ЗАДАЧА 5
Один американский профессор решил проверить своих коллег на умение уравнивать окислительно-восстановительные реакции и предложил им <химического монстра>: уравнение реакции окисления комплекса [Cr(CO(NH2)2)6]4[Cr(CN)6]3 сернокислым раствором перманганата калия. Через некоторое время американцу ответил израильский профессор, который сообщил, что ничего необычного в этом уравнении нет: он нашел коэффициенты во время занятий со студентами меньше, чем за 20 минут (при этом успевая отвечать на вопросы студентов).
1. Определите степени окисления элементов в комплексе-восстановителе.
2. Определите продукты этой реакции, если известно, что все элементы-восстановители окисляются до высшей возможной степени окисления.
3. Найдите коэффициенты в уравнении реакции методами а) электронного, б) электронно-ионного баланса. (Подсказка: сумма коэффициентов в правой части уравнения больше 4000.) В обоих случаях засеките время и сообщите свой результат.
1. Заряд катиона равен + 3, аниона - 4. Мочевина (NH2)2CO электронейтральна, ион CN- имеет заряд -1, поэтому в катионе хром имеет степень окисления + 3, а в анионе + 2. Остальные степени окисления - обычные:
2. Схема реакции:
[Cr(CO(NH2)2)6]4[Cr(CN)6]3 + KMnO4 + H2SO4 K2Cr2O7 + KNO3 + CO2 + K2SO4 + MnSO4 + H2O.
3. а) Электронный баланс:
Полученные коэффициенты 5 и 588 нужно еще умножить на 2, чтобы получить в левой части четное число атомов хрома, так как в правой части есть дихромат калия K2Cr2O7 с двумя атомами хрома. Окончательное уравнение:
10[Cr(CO(NH2)2)6]4[Cr(CN)6]3 + 1176KMnO4 +
+ 1399H2SO4 = 35K2Cr2O7 + 660KNO3 + 420CO2 +
+ 223K2SO4 + 1176MnSO4 + 1879H2O.
б) Электронно-ионный баланс:
ЗАДАЧА 6
pH 0,163%-ного водного раствора одноосновной кислоты равен 2,609. При разбавлении раствора в два раза pH увеличивается до 2,766.
1. Определите константу диссоциации кислоты.
2. Рассчитайте молярную концентрацию кислоты в исходном растворе.
3. Найдите молярную массу и формулу кислоты, если плотность исходного раствора равна 1,000 г/мл.
4. Насколько может увеличиться pH раствора любой одноосновной кислоты при разбавлении в n раз? Определите минимальное и максимальное значения DpH.
Диссоциацией воды при решении задачи можно пренебречь.
1. Из выражения для константы диссоциации одноосновной кислоты следует соотношение
где C - молярная концентрация кислоты, a = [H+] = = 10- 2,609.
При разбавлении в n раз
где b - новое значение [H+]. При n = 2, b = 10- 2,766. Из (1) и (2) следует выражение для константы диссоциации:
Подставляя значения a и b в (3) при n = 2, находим K = = 1,841 " 10- 4.
2. Из формулы (1) следует, что в исходном растворе C = 0,0353 моль/л.
3. Возьмем 1 л раствора. Масса раствора равна 1 кг, масса кислоты: m = 1,63 г. Молярная масса M = m / n = = 1,63/0,0353 = 46,2 г/моль. Единственная кислота с такой молярной массой - муравьиная, HCOOH.
4. Значение K в формуле (3) должно быть положительным. Отсюда получается система:
Из этой системы вытекает соотношение: n1/2 < a / b < n, откуда
ЗАДАЧА 7
В начале 1960-х годов проходили переговоры о запрещении ядерных испытаний в атмосфере. Во время переговоров один из экспертов заявил, что на полигоне в пустыне Невада (США) радиоактивные изотопы распадаются быстрее, чем на Новой Земле (СССР) из-за того, что в пустыне более высокая температура. Советский эксперт возразил, что периоды полураспада радиоактивных веществ не зависят от температуры. Кто из экспертов был прав? Зависят ли периоды полураспада от температуры? Кратко объясните вашу точку зрения.
Прав был советский эксперт. Период полураспада определяется вероятностью распада ядра, а последняя зависит от того, в каком энергетическом состоянии находится ядро. Разница в энергии между ядерными уровнями огромна - миллионы электронвольт, или десятки и сотни миллионов кДж/моль, поэтому переходы между этими уровнями при нагревании невозможны, и все ядра находятся на одном и том же уровне, независимо от температуры. Поэтому период полураспада всех ядер одного и того же вида не зависит от температуры.
ЗАДАЧА 8
При действии радиоактивного излучения на смесь паров четыреххлористого углерода с этиленом была получена жидкость Х, содержащая 37,6% хлора по массе. Обработка жидкости Х избытком раствора аммиака при нагревании приводит к образованию соединения Y, содержащего 4,91% азота по массе. Вещество Y может быть использовано для изготовления мыла и шампуней, "от которых дети не плачут", а длительное нагревание Y при 300-350?С приводит к повышению содержания азота до 5,24% и образованию расплава вещества Z, который может быть использован для промышленного получения синтетического волокна.
1. Установите молекулярные формулы соединений X,Y и Z.
2. Предложите структурные формулы этих веществ и напишите уравнения проведенных реакций.
3. Объясните, почему соединение Y обладает моющим (детергентным) действием и почему от мыла, изготовленного на его основе, дети не плачут?
4. Предложите возможную схему механизма образования соединений Х и Y.
1. Соединение Х содержит С, Н и Cl, причем на один атом Cl приходится 35,5 " 100/37,6 = 94,5 а.е.м. соединения Х. Пусть формула X - СхНуClz . Уравнение
12х + у +35,5z = 94,5z
при z = 1 не имеет химически разумных решений. При z = 2, 3 и 4 решения приводят к формулам С9Н10Cl2 , С13Н21Cl3 и С17Н32Cl4 , соответственно. Последнее решение соответствует веществу, которое образуется по схеме:
CCl4 + 8C2H4 C17H32Cl4
Превращение X в Y протекает в мягких условиях (действие водного раствора аммиака). Можно предположить, что при этом подвергаются превращениям только хлорсодержащие группировки, а скелет молекулы не изменяется. Монохлорид превращается в амин, а трихлорид - в соль аммония:
-СН2Cl + 2NH3 -CH2NH2 + NH4Cl,
-CCl3 + H2O + NH3 -COONH4 .
На 1 атом N в соединении Y приходится 14 i i 100/4,91 = 285 а.е.м., а в соединении Z - 14 " 100/5,21 = = 267 а.е.м. Сравнение этих двух величин показывает, что при нагревании Y произошла относительно потеря массы, равная 18 а.е.м. на один атом азота, что может быть связано с отщеплением молекул Н2О.
Пусть молекулярная формула Y - CaHbNcOd , a Z - CmHnNkOl , тогда уравнения для молекулярных масс на один атом азота (с = k = 1) имеют вид:
12a + b + 14 + 16d = 285
12m + n + 14 + 16l = 267
Эти уравнения имеют целочисленные решения при a = = m = 17, соответствующие молекулярным формулам: Y - C17H35NO2 и Z - C17H33NO.
2. Согласно приведенным схемам превращений хлорсодержащих группировок, вещество Y представляет собой аминокислоту H2N(CH2CH2)8СООН или ее внутреннюю соль H3N+(CH2)16COO-. Соединение Х имеет строение Cl(CH2-CH2)8CCl3 , а соединение Z относится к группе полиамидов (аналогов капрона): [-NH(CH2-CH2)8CO-]n .
Уравнения реакций:
CCl4 + 8C2H4 Cl(CH2)16CCl3
Cl(CH2)16CCl3 + 5NH3 + 2H2O
+H3N(CH2)16COO- + 4NH4Cl
n[+NH3(CH2)16COO-] [NH(CH2)16CO]n + nH2O
3. Структура аминокислоты Y напоминает структуру мыла: она содержит длинную неполярную углеводородную цепь, которая может проникать в жировые загрязнения, с ионными группами на концах, обеспечивающими смачивающее действие воды на поверхности жирового пятна и отталкивание частиц жира, перешедших в водную эмульсию.
Поскольку жирные аминокислоты имеют близкие по своей основности кислотные и основные группировки, их растворы имеют почти нейтральную среду. Следовательно, растворы жирных аминокислот не будут вызывать раздражение слизистых оболочек роговицы глаз и не будут вызывать слезотечение.
4. Для образования Х можно предложить следующий (цепной) механизм:
CCl4 Cl + CCl3 зарождение цепи
ССl3 + CH2=CH2 CH2CH2CCl3
CH2=CH2 + (CH2-CH2)nCCl3
(CH2-CH2)n+1CCl3 рост цепи
(CH2-CH2)n+1CCl3 + Сl Cl(CH2-CH2)n+1CCl3 обрыв цепи
(побочно будут получаться и небольшие количества полимерных дихлоридов). Такой процесс полимеризации этилена с участием ССl4 для инициирования и обрыва цепей называют теломеризацией.
Ответ: X - Cl(CH2)16CCl3 , Y - H3N+(CH2)16COO-,
Z - [NH(CH2)16CO]n .
ЗАДАЧА 9
Вещество А после обработки хлористым тионилом реагирует с изомерным веществом Б, которое присутствует в продуктах гидролиза большинства природных пептидов. Гидрогенолиз продукта этой реакции (то есть, разложение при действии водорода) приводит к веществу В, которое также входит в состав пептидных гидролизатов. Полный гидролиз В дает продукты Г и Б, массовая доля азота в которых отличается в 2,20 раза.
1. Нарисуйте структурные формулы веществ А, Б, В и Г.
2. Напишите уравнения реакций, упомянутых в задаче.
3. Сколько нециклических соединений, относящихся к тому же классу, что и В, можно построить из одной молекулы Б и двух молекул Г, не затрагивая связи C-C и N-N?
4. Нарисуйте структурную формулу вещества, изомерного Б, которое при гидролизе образует соединение Г. Имеет ли это вещество изоэлектрическую точку?
1. Вещества Б и Г, образующиеся при полном гидролизе пептидов, являются аминокислотами: Б - H2NCH(R1)COOH, Г - H2NCH(R2)COOH. Если предположить, что их молекулы содержат одинаковое число атомов азота, то отношение их молярных масс равно 2,2:
откуда М1 = 91, М2 = 1, то есть R2 = H, R1 = C6H5CH2 .
Таким образом, Б - фенилаланин, C6H5CH2CH(NH2)COOH; Г - глицин, H2NCH2COOH. Вещество A, изомерное Б, - это N-бензилглицин, C6H5CH2NHCH2COOH, производные которого при гидрогенолизе дают пептиды с N-концевым фрагментом глицина. Следовательно, В - это дипептид, глицилфенилаланин, H2NCH2CONHCH(CH2C6H5)COOH.
2. Уравнения реакций:
3. Из одной молекулы фенилаланина (Phe) и двух молекул глицина (Gly) можно построить 6 молекул линейных пептидов: Phe-Gly-Gly, Gly-Phe-Gly, Gly-Gly-Phe, Gly-Gly, Gly-Phe, Phe-Gly.
4. Аминокислоте C6H5CH2CH(NH2)COOH изомерен сложный эфир H2NCH2COOCH2C6H5 , который при гидролизе дает глицин. Сложный эфир не обладает амфотерными свойствами и не имеет изоэлектрической точки.
Ответ: А - C6H5CH2NHCH2COOH,
Б - C6H5CH2CH(NH2)COOH,
В - H2NCH2CONHCH(CH2C6H5)COOH,
Г - H2NCH2COOH.
ЗАДАЧА 10
Молекула фуллерена C60 представляет собой геометрическую фигуру, называемую икосаэдром. В каждой вершине икосаэдра находится атом углерода, связанный с тремя другими атомами с помощью s-связей (см. рис. 1).
Для описания p-электронных состояний этой молекулы используют модель свободных электронов, движущихся по сфере радиуса r. В рамках этой модели уровни энергии описываются выражением
где " = 1,05 " 10- 34 Дж " с - постоянная Планка, m = 9,11 " 10- 31 кг - масса электрона, L - орбитальное квантовое число (L = 0, 1, 2, ...). Для каждого L существуют (2L + 1) уровней с одинаковой энергией.
1. Сколько p-электронов имеет молекула C60 ?
2. Какое значение квантового числа L имеет высший заполненный уровень в основном состоянии C60 ?
3. Сколько неспаренных электронов должна иметь молекула C60 в соответствии с этой моделью?
4. Рассчитайте радиус молекулы C60 , если известно, что разница в энергии между двумя высшими заполненными уровнями составляет 296 кДж/моль.
5. Известно, что в основном состоянии C60 не имеет неспаренных электронов. Для того, чтобы объяснить этот факт, необходимо учесть, что молекула является не сферой, а икосаэдром. В икосаэдре уровни энергии с квантовым числом L > 2 расщепляются на группы, содержащие 1, 3, 4 или 5 уровней с одинаковой энергией. На какие группы расщепляется уровень с L = 5, если известно, что при этом не образуется одиночных уровней?
6. С учетом расщепления определите число неспаренных электронов в основном состоянии молекул K3C60 и K6C60 .
1. Три из четырех валентных электронов каждого атома углерода участвуют в образовании s-связей, оставшийся электрон входит в p-электронную систему; всего 60 p-электронов.
2. Нарисуем схему энергетических уровней:
Высший заполненный уровень имеет квантовое число L = 5.
3. В соответствии с правилом Гунда, данная модель предсказывает наличие 10 неспаренных электронов на уровне с L = 5.
4. Высшие заполненные уровни: L = 4 и L = 5. Разница в энергии между ними в расчете на один моль равна:
откуда
= 0,351 нм.
5. Уровень с L = 5 (11 орбиталей) может расщепиться двумя способами: 4 + 4 + 3 или 5 + 3 + 3. По условию, однако, молекула С60 не имеет неспаренных электронов, а на уровне с L = 5 находится 10 электронов. Следовательно, высший заполненный уровень должен содержать 5 орбиталей. Таким образом, расщепление уровня с L = 5 можно представить следующим образом:
6. а) Три атома калия в молекуле K3C60 добавляют три электрона в систему p-электронов. По правилу Хунда, эти три электрона - неспаренные:
б) Шесть атомов калия в молекуле K6C60 добавляют шесть электронов в систему p-электронов. В этой молекуле нет неспаренных электронов:
Авторы задач и решений:
IX класс - В.В. Загорский, С.П. Михалев, М.П. Кузнецов,
Н.И. Морозова, Н.Ш. Пиркулиев
X класс - С.С. Чуранов, М.Д. Решетова,
И.В. Трушков, Г.А. Середа
XI класс - В.В. Еремин, Г.А. Середа,
С.С. Чуранов, Д.О. Чаркин
