Традиционно группа «Олимпиады по химии» проводит конкурс задач среди подписчиков. Представляем авторский сборник задач такого конкурса в 2019 году. Тексты задач, объяснения, решения, критерии полностью разработаны и написаны участниками.
1. Маленький, да удаленький
Матвей Новоселов с помощью Александры Радченко«Вся красота в простоте (с) Эмма Гардер
Водород – простейший из химических элементов и является самым распространённым во Вселенной. 50% мирового производства водорода используется в синтезе аммиака, остальная часть затрачивается на производство метанола, высших спиртов, углеводородов. Водород используется в металлургической и энергетической промышленности, переработке нефти, и других отраслях науки и техники.
a) Приведите три промышленных и три лабораторных способа получения водорода. Укажите условия проведения реакций.
Сам по себе молекулярный водород – плохой восстановитель. Если пропустить его через водный раствор индийской селитры – ничего не произойдёт. Но если образование водорода будет проходить in situ, то реакция протекает.
b) Почему H2 – плохой восстановитель? Почему в первом случае реакция не идёт, а во втором случае реакция протекает? Приведите уравнение восстановления индийской селитры.
Рассмотрим равновесие
![Конкурсные задачи 2019, изображение №2](https://sun9-53.userapi.com/impg/c855232/v855232102/18984c/QTtoyi8nnrg.jpg?size=158x33&quality=96&sign=3130a97beba358e68964a20753186efc&type=album)
Для того, чтобы в молекуле разорвать σ-связь H-H, необходимо затратить 4,5086 эВ. В стандартных условиях (давление 1 бар) при 3140,33 °F доля атомарного водорода равна 0,2397%.
с) Рассчитайте, во сколько раз уменьшится доля H(г.) при 80,33 °F? Примите, что ∆rН0 и ∆rS0 не зависят от температуры. Если у Вас возникли проблемы с переводов °F в K, то выведите зависимость между °F и К, используя следующие данные:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №3](https://sun9-54.userapi.com/impg/c855232/v855232102/189866/BQ3D7P0v7mw.jpg?size=468x253&quality=96&sign=38f9639defcaa02c9f1325fd107204cc&type=album)
Переход электрона из одного квантового состояния в другое связан со скачкообразным изменением его энергии. Графически энергию квантовых состояний и квантовые переходы электронов можно изобразить с помощью схемы энергетических уровней:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №4](https://sun9-56.userapi.com/impg/c855232/v855232102/18986d/ttKTzsU2YxI.jpg?size=203x311&quality=96&sign=68aa3aa3f70e8ce8814fd29de6794c00&type=album)
Горизонтальные линии проведены на высотах, пропорциональных значениям энергии электрона в атоме водорода. Вертикальные стрелки указывают на возможные квантовые переходы. Экспериментально квантование энергии электронов в атомах обнаруживается в их спектрах поглощения и испускания, которые имеют линейчатый характер. Возникновение линий в спектре обусловлено тем, что при возбуждении атомов электроны, принимая соответствующие порции энергии, переходят в состояние с более высокими энергетическими уровнями. В таком возбуждённом состоянии атомы находятся лишь ничтожные доли секунды. Переход электронов в состояние с более низкими энергетическими уровнями сопровождается выделением кванта энергии. Это отвечает появлению в спектре отдельных линий, соответствующих излучению определенной частоты (длины волны).
Поскольку водород — наиболее простой атом, его спектральные серии наиболее хорошо изучены. Они хорошо подчиняются формуле Ридберга:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №5](https://sun9-84.userapi.com/impg/c855232/v855232102/189876/GlVCxVvUY-o.jpg?size=807x99&quality=96&sign=3fc96cdbddd909154f13351097058496&type=album)
В серии Лаймана m = 1, в серии Бальмера m = 2, в серии Пашена m = 3 и т.д.
d) Используя формулу Ридберга, найдите энергию ионизации атома водорода в кДж/моль, а также, используя данные из пункта a) вычислите стандартную энтальпию образования Н+ (г.) в кДж/моль.
Решение:
а) 1. Способы получения водорода в лаборатории:
— Реакция металлов, имеющих отрицательный окислительно-восстановительный потенциал, с кислотами:
H2SO4 ( разб. ) + Zn = ZnSO4 +H2;
— Реакция амфотерных металлов с концентрированными горячими растворами щёлочи:
2NaOH+2Al+10H2O=2Na[Al(OH)4(H2O)2] + 3H2;
— Реакция гидридов щелочноземельных металлов с водой:
CaH2+2H2O=Ca(OH)2+H2;
2. Спсобы получения водорода в промышленности:
— Конверсия угля водяным паром ( высокие температуры ):
C+H2O=CO+H2;
Затем к водяному газу добавляют новую порцию пара, и эту смесь пропускают над поверхностью катализатора из оксида железа (III) при температуре 450 °C:
CO+H2O=CO2+H2;
— Конверсия метана водяным паром ( температура порядка 900 °C, смесь пропускается над поверхностью никелевого катализатора ):
CH4+H2O=CO+3H2;
— Электролиз воды ( в качестве электролитов используют соли, кислоты, щелочи):
2H2O=2H2+O2
б) Газообразный водород, т.е. молекулярный водород, является плохим восстановителем. Это обусловлено его большой энергией связи, равной порядка 435 кДж/моль. Однако водород, образующийся в растворе в результате, например, действия горячих концентрированных растворов щелочей и алюминия, находится со временем жизни порядка 0,3 секунды в атомарном виде (его также называют водородом в момент выделения ). Атомарный водород, в свою очередь, уже является сильным восстановителем:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №6](https://sun9-74.userapi.com/impg/c855232/v855232102/18989d/OIGTbla2esc.jpg?size=807x49&quality=96&sign=f1e75107c71af3dbeeb712e814fc0329&type=album)
a) При изменении температуры, согласно уравнению Гиббса – Гельмгольца, изменится и свободная энергия Гиббса:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №7](https://sun9-11.userapi.com/impg/c855232/v855232102/1898a4/A75On5ScBM8.jpg?size=230x30&quality=96&sign=e6a7a5c816621af71656dd9e1cbb9721&type=album)
Также, согласно уравнению
![Конкурсные задачи 2019, изображение №8](https://sun9-39.userapi.com/impg/c855232/v855232102/1898ab/PJdqyyTXlrg.jpg?size=164x33&quality=96&sign=5f3ec395bb970ef1623bff311445908e&type=album)
с изменением температуры константа равновесия также меняется. Чтобы найти степень диссоциации молекулярного водорода после изменения температуры, необходимо знать константу равновесия при новой температуре. Найдём Kp при температуре 3140,33 °F:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №9](https://sun9-76.userapi.com/impg/c855232/v855232102/1898b4/s_YkWkfMyWM.jpg?size=807x75&quality=96&sign=eb950a9b2fd69dcf3744063cf26be2d9&type=album)
Для решения этой задачи необходимо знать уравнение:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №10](https://sun9-85.userapi.com/impg/c855232/v855232102/1898c5/M_B4cobnPfs.jpg?size=285x64&quality=96&sign=adf327fa7b0660746b64dadd3c304651&type=album)
Но его можно вывести и самому.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №11](https://sun9-58.userapi.com/impg/c855232/v855232102/1898d4/WuOCXBgYy6Y.jpg?size=358x59&quality=96&sign=2edba4edd26412df6f53db81d75a5457&type=album)
![Конкурсные задачи 2019, изображение №12](https://sun9-1.userapi.com/impg/c855232/v855232102/1898e6/dveBvZUUKa4.jpg?size=807x191&quality=96&sign=86a1503aa28dea94b7bd136bb08fb7ed&type=album)
∆rH° равна энергии, которую необходимо затратить для разрыва связи Н-Н ( Дж/моль ). R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль*К). Т2 и Т1 – температура ( К ). В задаче дана энергия связи в эВ на молекулу водорода и градусы по Фаренгейту. Переведём эти единицы в нужные, рассчитаем константу процесса при новой температуре и посчитаем долю атомарного водорода.
Если построить координатную плоскость с осями °F и К в качестве осей y и x соответственно, получим график прямой пропорциональности:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №13](https://sun9-13.userapi.com/impg/c855232/v855232102/189900/ipQi8ecm0-k.jpg?size=345x265&quality=96&sign=4faaab3cd819d4a8af90ddc49b129018&type=album)
![Конкурсные задачи 2019, изображение №14](https://sun9-4.userapi.com/impg/c855232/v855232102/189919/hABj4Sbxgsw.jpg?size=807x318&quality=96&sign=88e969e7dfc8085c9b0c31a0ec07126b&type=album)
d) По определению, энергия ионизации – энергия, необходимая для того, чтобы оторвать электрон от атома на бесконечно далёкое расстояние. Поэтому, n в данном случае будет равно бесконечно большой величиной, и формула примет вид
![Конкурсные задачи 2019, изображение №15](https://sun9-8.userapi.com/impg/c855232/v855232102/189946/HA-z_qrekiE.jpg?size=140x44&quality=96&sign=8a064b19a1082b74f703a4252443de94&type=album)
Поскольку в атоме водорода электрон находится на первом энергетическом уровне ( m=1 ), а число протонов в ядре равно 1, сл-но,
![Конкурсные задачи 2019, изображение №16](https://sun9-42.userapi.com/impg/c855232/v855232102/189963/xvDbKROcpSs.jpg?size=807x127&quality=96&sign=fa7313c397a045da95021e088d0e223a&type=album)
Уравнение, которое соответствует стандартной энтальпии образования H+(г.), имеет вид:
H2(г.)= 2H+(г.)
По закону Гесса энтальпия реакции не зависит от промежуточных стадий, поэтому составим для данного уравнения термодинамический цикл:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №17](https://sun9-81.userapi.com/impg/c855232/v855232102/189974/Jq9Cc_P1AeE.jpg?size=260x160&quality=96&sign=d8514a3dcc2da8fe6aca6e3040ac64c6&type=album)
Подставив соответствующие значения, и разделив полученное значение на 2 ( т.к. образуется 2 иона Н+ ), получим
![Конкурсные задачи 2019, изображение №18](https://sun9-54.userapi.com/impg/c855232/v855232102/189984/8X-e7uzT-eI.jpg?size=283x38&quality=96&sign=dbb65e0b7890c267d4835d8861120147&type=album)
СИСТЕМА ОЦЕНИВАНИЯ:
a) — За каждое уравнение с правильно расставленными коэффициентами и приведёнными условиями протекания реакции – 1 балл.
— Если приведено уравнение без коэффициентов – 0,5 баллов. Если не приведено условий протекания реакции – 0,5 баллов.
— Если в уравнении нет коэффициентов и нет условий проведения реакции – 0 баллов.
— Отсутствие уравнения – 0 баллов.
— В сумме 6 баллов.
b) — Объяснение восстановительных свойств молекулярного водорода – 2 балла.
— Объяснение протекания реакции – 2 балла.
— Уравнение восстановления нитрата калия – 2 балла.
— В сумме 6 баллов.
c) — Нахождение константы равновесия при 3140,33°F – 3 балла.
— Приведение/вывод интегральной формулы Вант-Гоффа – 10 баллов.
— Вывод зависимости между F и K / Знание перевода F в K– 10 баллов.
— Нахождение ∆rH° реакции – 5 баллов.
— Нахождение константы равновесия при 80,33°F – 3 баллов.
— Нахождение мольной доли атомарного водорода – 3 баллов.
— Нахождение отношения мольных долей атомарного водорода при 80,33°F и 3140,33°F – 1 балл.
— В сумме 35 балла.
d) — Приведение формулы Ридберга к простейшему виду – 10 баллов.
— Нахождение энергии ионизации атомарного водорода – 8 баллов.
— Приведение выражения для расчёта стандартной энтальпии образования газообразного протона – 5 баллов.
— Расчёт энтальпии образования газообразного протона – 1 балл.
— В сумме 24 балла.
Итог: 71 баллов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. Том 1. Перевод выполнен В.А. Михайловым ( предисловия, гл. 1-3, 31 ), Е.В. Савинкиной ( гл. 4-7, 28, 29, приложения ), Ю.И. Азимовой (гл.8), Е.Э. Григорьевой ( гл. 9, 10 ), Н.М. Логачевой ( гл. 11-13 ), Л.Ю. Аликберовой ( гл. 14-18), Н.С. Рукк ( гл. 19-22,30 ), М.Ф. Рукк ( гл.23-25 ), С.М. Пестовым ( гл. 26, 27 ).
- Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учеб. Для вузов. – 4-е изд., испр.-М.: Высш. Шк., Изд. Центр «Академия», 2001.-743 с., ил. ISBN 5096-003363-5 ( высшая школа ), ISBN 5-7695-0704-7 ( Изд. центр «академия» ).
- Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. Изд./Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкина.-М.: Химия, 1989.- 672с.:ил. ISBN 5-7245-0034-5.
- Фримантл М. Химия в действии. В 2-х ч. Ч.2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1988 – 620c., ил. ISBN 5-03-000935-3.
2. Горючий воздух
Никита Понятов
В промышленности газ Х получают с помощью конверсии метана с водяным паром при 1000° С. Известно, что Х легче воздуха и является сильным восстановителем. При взаимодействии Х с хлором при свете, образуется в-во Y, которое в водном растворе является сильной кислотой. В-во Y реагирует с SO3, в результате реакции образуется кислота Z, содержащая 24,47% серы по массе и 30,47% хлора.
А) Установите формулы в-в Х, Y, Z. Приведите все описанные реакции и составьте структурную формулу вещества Z, по возможности укажите его название.
Б) Известно, что при сгорании 1 моль метана выделяется 890кДж тепла, а при сгорании такого же количества Х – 241кДж. Какой объём Х потребуется для того, чтобы выделилось столько же теплоты, сколько выделяется при сгорании метана, полученного при нагревании безводного гидроксида натрия массой 843г, содержащего 3% примесей по массе, вместе с ледяной уксусной кислотой массой 450г? При это выход реакций горения Х, горения метана, взаимодействия гидроксида натрия и уксусной кислотой соответственно равны 81%, 73%, 80%.
В) Какая масса метана потребуется для получения вещества Х, которое в следствии будет использовано для получения Y, если нужно нейтрализовать раствор щелочи (w(w(w(NaOH)=32%, p=1,07 г/мл) объёмом 267,5мл с помощью 1,5 М раствора Y, выход по первой стадии равен 85%, а по второй 91%?
Г) Для получения каких веществ используют Х в промышленных масштабах?
Решение:
А)
![Конкурсные задачи 2019, изображение №19](https://sun9-75.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186a25/9iLyxm5hvtU.jpg?size=605x377&quality=96&sign=81e97120791d925e7ea4cb690529bd1f&type=album)
Б)
![Конкурсные задачи 2019, изображение №20](https://sun9-68.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186a4b/1S6qetRt_J8.jpg?size=741x651&quality=96&sign=a0a5fa37371d7256842d61511d03336d&type=album)
В)
![Конкурсные задачи 2019, изображение №21](https://sun9-86.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186a53/5aqhPoAwVSM.jpg?size=633x612&quality=96&sign=81be157e6496fb1af025cb09b647d46f&type=album)
Г) Водород также используют при производстве аммиака, метанола, саломаса и много чего другого.
Источники:
Б.В.Некрасов «Основы общей химии»;
Н.Л.Глинка «Общая химия».
3. Водородные соединения неметаллов
Вадим Витальевич Князев
Уроки химии в 8 и 9 классе посвящены рассмотрению свойств элементов главных подгрупп. Не мало времени уделяется бинарным соединениям элемента с водородом, ведь в зависимости от группы свойства этих соединений могут сильно отличаться, а иногда свойства веществ кардинально отличаются даже внутри одной группы. Перед вами таблица, в которой приведены некоторые данные для водородных соединений неметаллов.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №22](https://sun9-59.userapi.com/impg/c855232/v855232622/18694f/xgMArbYCHVM.jpg?size=807x300&quality=96&sign=cc00be065e346ef9270788b10cba7565&type=album)
- Определите вещества А-Е. Для соединений А, Б, В, и Е ответ подтвердите расчётами. Дополнительно известно, что соединение В содержит в себе 2 атома другого элемента (не считая водорода). Про соединение Г известно, что оно и его производные активно используются в медицине и сельском хозяйстве. В РФ в 2014 году было произведено 14,6 млн. тонн вещества Г! Газ Д имеет плотность по неону 1,6
- Объясните, почему А в отличии от своего аналога по группе имеет нейтральную среду в водном растворе?
- Напишите уравнение гидролиза В. Почему В устойчив только в виде димера? Нарисуйте структуру вещества В.
- Напишите уравнение промышленного синтеза вещества Г. Какое название носит этот процесс? Что использует промышленность в качестве катализатора?
- Соединение Д в отличии от своего аналога по группе является восстановителем и способно взаимодействовать с раствором NaOH. Напишите уравнение этой реакции.
- Б в водном растворе является гораздо более сильной кислотой, чем Е. Почему? Ведь Е способно реагировать даже со стеклом!
- Напишите уравнение взаимодействия Е со стеклом (SiO2). Объясните, с чем связана аномально высокая T. кип. Е?
Решение:
1.Для вычисления молярной массы соединения используем формулу:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №23](https://sun9-43.userapi.com/impg/c855232/v855232622/18695f/QU1XZUjFCXE.jpg?size=752x214&quality=96&sign=ff1a7ad62e0d5ab0be77c71a8047ff2e&type=album)
Известно, что водородные соединения неметаллов бывают состава: RH3, RH4, H2К и HR, значит методом подбора мы можем определить атомную массу элемента в соединении. Для этого по формуле (1) определим молярную массу соединения, после чего вычтем из полученного значения общую молярную массу атомов водорода. Выполним расчёты для соединения А:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №24](https://sun9-2.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186971/h9Sc6UPaSMM.jpg?size=618x360&quality=96&sign=c7e65d9f3cd67335a6d73840a6119a47&type=album)
Из таблицы 1 однозначно следует, что соединение А— PH3 Выполним расчёты для соединения Б:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №25](https://sun9-32.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186989/cNXm-_8KYrE.jpg?size=597x295&quality=96&sign=d07ed0623256fb3f9b865405d3b3b9f8&type=album)
Из таблицы 2 следует, что соединение Б— HI, т.к. эйнштейний не образует гидрида состава EsH2 Выполним расчёты для соединения В:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №26](https://sun9-12.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186990/OuGMBrUHhRo.jpg?size=433x46&quality=96&sign=fbf1b9631989fe77b4991e766fb34eda&type=album)
Для соединения В известно, что оно представляет собой димер, значит необходимо выполнить всё те же расчёты, после чего удвоить количество каждого атома:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №27](https://sun9-49.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186998/mc9wWnY3RWY.jpg?size=650x261&quality=96&sign=0fa90c9dc73d4722d694a93da471d8f1&type=album)
Из таблицы 3 следует, что В— B2H6, т.к. литий не образует гидрида состав Li2H4 Выполним расчёты для соединения Е:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №28](https://sun9-88.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1869a8/Ax5voav-h4w.jpg?size=632x299&quality=96&sign=7fd5844258659242c01c3c170c06b5c7&type=album)
Из таблицы 4 однозначно следует, что Е— HF Из условия задачи понятно, что газ Д реагирует с водой, имеет чесночный запах и его молярная масса равна: M(Ne)*1,6 = 20*1,6 = 32 из этого однозначно следует, что Д-SiH4 По дополнительным данным можно понять, что Г-NH3.
2. PH3 в отличии от NH3 имеет нейтральную среду в водном растворе, потому что катион фосфония, который образуется при растворении фосфина в воде, оказался неустойчив, в отличии от катиона NH4+ т.е:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №29](https://sun9-65.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1869b9/f1GkjlTIvYg.jpg?size=807x59&quality=96&sign=0b3ed5fc836b9eec44dcb526c6b53c0a&type=album)
3.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №30](https://sun9-55.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1869c0/GxSG8LfPwew.jpg?size=330x44&quality=96&sign=df917d2718237b45fb72fb98b31f017c&type=album)
BH3 неустойчив из-за того, что это координационно ненасыщенное соединение. BH3 является сильной кислотой Льюиса, т.е. легко способно присоединять частицы с неподелённой электронной парой, например:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №31](https://sun9-81.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1869d0/sJkjtJniolE.jpg?size=269x51&quality=96&sign=fc8a32f92762273951ac151316f000ea&type=album)
В молекуле B2H6 реализуются 2 трёхцентровые двухэлектронные связи, структура молекулы выглядит так:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №32](https://sun9-60.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1869d7/OSaKSP8enYo.jpg?size=561x300&quality=96&sign=0685873580ad9e93021d7c4b2589c0b2&type=album)
4.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №33](https://sun9-33.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1869e6/NlZAayUqcFA.jpg?size=203x39&quality=96&sign=e6d97fe90044ec0efcdf1c3c4671cd40&type=album)
Название промышленного получения аммиака – процесс Габера В качестве катализатора используют Fe
5.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №34](https://sun9-46.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1869ed/u2f9mL3Z0yw.jpg?size=421x41&quality=96&sign=e4fa95774bcb067b3b575993c268135f&type=album)
6. HI это гораздо более сильная кислота, чем HF, потому что радиус атома I больше, чем у F, значит HI будет гораздо лучше отдавать свой протон в водном растворе, чем HF. Тот факт, что HF способен реагировать со стеклом никак не связан с силой кислоты. Дело в том, что кремний способен образовывать устойчивый комплекс со фтором.
7.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №35](https://sun9-67.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1869f4/DrRBiPLN3_A.jpg?size=329x33&quality=96&sign=09f320a0ed7e4b9ce522bf10a2db2250&type=album)
Фтороводород имеет высокую T. кип. потому что фтор очень электроотрицательный элемент, поэтому он может образовывать слабые межмолекулярные взаимодействия с атомами водорода соседних молекул. В результате для того, чтобы перевести HF в газообразное состояние нужно потратить немного больше энергии.
Список литературы:
- snappygoat.com
- 2. Неорганическая химия. В 3-х томах. Под ред. Третьякова Ю.Д.
4. Химия гидридов
Madiyar Kasymali
Соединения А,Б являются бинарными, а вещество В состоит из трех элементов. Все эти соединения играют огромную роль в промышленности, а также хорошо известны в кругозоре химиков. Вещество В известен тем, что является сильным неорганическим восстановителем, используемый в органическом синтезе. А соединения А и Б можно применять в качестве ракетного топлива. Для получения А и Б в лабораторных условиях восстанавливают хлориды элементов Х и Y веществом В. Вещество В получают действием Z на суспензию Г в эфире. Ниже представлены некоторые экспериментальные данные о соединениях А,Б,В.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №36](https://sun9-65.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186828/EO83m6T2QV8.jpg?size=807x230&quality=96&sign=6768a3bead2d23a5fa8ecf3f49aad52d&type=album)
При гидролизе Б образуется … кислота – важный фармакологический препарат. Криоскопическое измерение относительной молекулярной массы этой кислоты дало величину 62 г/моль.
Дополнительная информация :
-Соединения А и Б являются самопроизвольно воспламеняющими на воздухе газами, один из которых легче воздуха.
-Все соединения названные в задаче, образованы элементами малого периода. -При гидролизе 1,00 г А выделяется 2,8 л газа (н.у) соответственно.
-Массовая доля более тяжелого металла в соединении В равна 71%
Вопросы :
- Определите все загаданные вещества. Ответ подтвердите расчетами.
- При гидролизе вещества В выпал белый осадок, и будто бы растворился. Объясните это явление.
- Напишите все уравнения реакции, о которых шла речь в задаче.
- Что за кислота образуется в процессе гидролиза соединения Б ? Как эта кислота взаимодействует с щелочью ?
- Чем отличаются соединение А и его гомологи от алканов ?
- Определите строения А и Б.
Решение:
1.А) Очевидно, легкий газ выделяющийся при гидролизе – водород. Тогда вещества А и Б являются гидридами. Рассчитаем эквивалентную массу соединения А :
![Конкурсные задачи 2019, изображение №37](https://sun9-57.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186855/w9mIFGT9YKo.jpg?size=807x182&quality=96&sign=d489cb85a06b92e33e1885c68be49d0d&type=album)
Б) По условию, при гидролизе Б образуется кислота с относительной молекулярной массой 62 г/моль. Пусть кислота имеет формулу HaYbOс. Подбирая значения для a,b,c можно прийти к единственному разумному решению : при a=3 , b=1 , c=3 , M(Y) = 11 г/моль , что соответствует бору. Поскольку один из газов имеет молярную массу меньше чем 29 г/моль, единственным газом может быть B2H6 (диборан). Ответ можно подтвердить расчетами :
![Конкурсные задачи 2019, изображение №38](https://sun9-74.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186863/TCroB-mhPRo.jpg?size=527x128&quality=96&sign=786cc17ab27420ce0c23b54eaf879948&type=album)
В) Белый аморфный осадок, образующийся при гидролизе В указывает на Al(OH)3. Чтобы подтвердить это, попробуем найти соединение В. Очевидно, В содержит какой-то щелочной металл и оно имеет формулу M[AlH4]. Пусть алюминий является более тяжелым элементом, тогда :
![Конкурсные задачи 2019, изображение №39](https://sun9-48.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186884/YLCBYx5ffIo.jpg?size=807x66&quality=96&sign=02b40c218bb51b8562092d4c7fb281b6&type=album)
2. Растворение произошло, потому что протекает реакция :
![Конкурсные задачи 2019, изображение №40](https://sun9-40.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1868ae/KcJ6CzUsxy8.jpg?size=423x35&quality=96&sign=93df467f091ec4a1fdae2724ea04276d&type=album)
Далее, осадок – гидроксид алюминия растворяется в гидроксиде лития :
![Конкурсные задачи 2019, изображение №41](https://sun9-60.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1868c9/eQM-0djJrCs.jpg?size=341x39&quality=96&sign=dd49ab59693d7df18e8337d50a107fc9&type=album)
3.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №42](https://sun9-52.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1868d7/P_DC3jd98S8.jpg?size=499x240&quality=96&sign=a36582e3752f2735baa4ff14c4850d4d&type=album)
4. Борная кислота – H3BO3 Реагирует с щелочью :
![Конкурсные задачи 2019, изображение №43](https://sun9-30.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1868f5/rz_jXdrfsdA.jpg?size=403x44&quality=96&sign=e803a752e501ed3e32f35b3de2a1cbc4&type=album)
При избытке щелочи, протекает реакция :
![Конкурсные задачи 2019, изображение №44](https://sun9-29.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186906/Ioc7qmAy5sU.jpg?size=378x34&quality=96&sign=5ca44d10d17787c80554eade9edb2787&type=album)
5. SiH4 и его гомологи (другие силаны) отличаются от алканов тем, что связи Si-Si и SiH слабее связей С-С и С-Н, а также тем, что они отличаются от алканов меньшей устойчивостью и повышенной реакционноспособностью.
6.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №45](https://sun9-78.userapi.com/impg/c855232/v855232622/18690d/aQmaWC12ipo.jpg?size=317x146&quality=96&sign=c137270c2263dfbde25038c9460be9dc&type=album)
Список литературы:
-Википедия
-Неорганическая химия (Третьяков)
-Химические свойства неорганических веществ (Лидин, Молочко)
-Справочник химика (Никольский)
5. Водород — восстановитель
Михаил Кузнецов
В большинстве неорганических соединений водород проявляет степень окисления +1, но в некоторых из приведенных ниже веществ он проявляет другую степень окисления.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №46](https://sun9-55.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1866ef/jdNoDE-hNCs.jpg?size=520x632&quality=96&sign=9386a5c37f081c5e32bb78646fd4aa4c&type=album)
Выглядит страшно. Но предлагаем вам разобраться:
Вещества А1 – В1 и А2 – В2 имеют сходный состав.
А – В – простые вещества
Дополнительно известно:
→Элементы, образующие простые вещества А и Б находятся в одном периоде; Б и В – в одной группе;
→Элементы, входящие в состав бинарного соединения Б1 образуют несколько веществ с разным стехиометрическим составом;
→Вещества Б2 и В2 проявляют кислотные свойства, но «кислоты» эти разной основности, вещество А2 проявляет свойства сильного основания;
→Вещества Д и Г проявляют восстановительные свойства, причем Г
более сильный восстановитель;
→Потеря массы в реакции Д1-Д2 составляет 35,32%, а в реакции
Г1-Г2 42%, при этом из 1 моль исходных веществ получается 1 моль
продуктов;
→10г вещества В1 может прореагировать с 18мл вещества Х, при этом
выделится 24,44 л газа(25°С, 1атм.);
→Молярная масса Б1 больше 20, но меньше 30г/моль;
→Е1 суммарно содержит 24 атома;
→В таблице ниже приведены массовые доли элементов в некоторых
веществах:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №47](https://sun9-25.userapi.com/impg/c855232/v855232622/18670c/Pkxg9r2PpNA.jpg?size=807x415&quality=96&sign=f34a460bfc1d39276288b9464d91a2c7&type=album)
Задания:
- Определить вещества в схеме превращений и написать уравнения
протекающих реакций.
2. Приведите формулы других бинарных соединений Б с водородом
(не более трех)
3. Почему восстановительные свойства вещества Д выражены
сильнее, чем вещества Г? Где используют эти вещества?
Приведите примеры реакций.
4. Напишите уравнение реакции Е с Х.
Решение:
Воспользовавшись изменением массы в реакции Д1-Д2 и массовыми долями элементов в Д2 можем узнать что это за вещество: Допустим было взято 100г вещества Д1
![Конкурсные задачи 2019, изображение №48](https://sun9-87.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186737/MWJGn9_nbzM.jpg?size=622x62&quality=96&sign=730e6fd23b10153f51b346635d52dd67&type=album)
Тогда вещества Д1 было 100/M(Д1) моль. А вещества Д2 64,68/М(Д2) моль. Количество вещества Д2 равно количеству вещества Д1, поэтому:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №49](https://sun9-34.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186740/X0LkVBMok2g.jpg?size=807x281&quality=96&sign=212a80dd18bc7b1106e8cb02d13b7722&type=album)
Составим таблицу молярных масс веществ и элементов, зная количественный состав Д2
![Конкурсные задачи 2019, изображение №50](https://sun9-63.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186748/TbKX1Oyh4ZA.jpg?size=795x213&quality=96&sign=2de7962b2ece861ef2a896ce50e46875&type=album)
Итак, Д2 – LiAlO2. Тогда Д1 это Li[Al(OH)4]
![Конкурсные задачи 2019, изображение №51](https://sun9-40.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186779/YY39XkHwiRw.jpg?size=376x50&quality=96&sign=6872869751759b08f40335a3c6cb3a8d&type=album)
Т.к. Д1 образуется в реакции А2 и Б2, при этом А2 проявляет основные свойства, то это LiOH, а Б2 – Al(OH)3
![Конкурсные задачи 2019, изображение №52](https://sun9-75.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186789/dlXoPw3eTHk.jpg?size=392x40&quality=96&sign=d3839292cb9ef81de0a95f27e562b88a&type=album)
Из таблицы массовых долей элементов легко определить, что Х – вода. Получить LiOH можно добавив воду к какому-либо бинарному соединению лития, т.е. подвергнуть его гидролизу. Под описание задачи (водород в с.о. -1) подходит LiH, но это же можно получить и без догадок. Рассмотрим уравнение В1 с водой. Вещество массой 10 г реагирует с 1 моль воды (18мл = 18г = 1 моль), образуя газ и Al(OH)3
![Конкурсные задачи 2019, изображение №53](https://sun9-67.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186790/pj-KedVXQQ8.jpg?size=334x51&quality=96&sign=afc4748f66dbd112bdd9bc41fea06b2d&type=album)
Найдем количество вещества выделившегося газа из уравнения Менделеева-Клайперона:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №54](https://sun9-20.userapi.com/impg/c855232/v855232622/18676b/lgIP3zVJhh8.jpg?size=786x102&quality=96&sign=3502503b585d515649750f52a8eb7fca&type=album)
Скорее всего, это гидролиз бинарного соединения алюминия АlnZ3 + nH2O = n Al(OH)3 + 3HnZ Откуда n = 1, и единственное хорошо гидролизующееся бинарное соединение АlH3, его молярная масса 30г/моль идеально подходит под условие
![Конкурсные задачи 2019, изображение №55](https://sun9-87.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186797/Nt3ng2VPfHQ.jpg?size=403x153&quality=96&sign=3ae426ae3d9313ef0e991104a988ef38&type=album)
Так как Г образуется из В1 и А1 и является восстановителем, гидролизуется до Li[Al(OH)4], то это LiAlH4 и следовательно А1 – LiH
![Конкурсные задачи 2019, изображение №56](https://sun9-60.userapi.com/impg/c855232/v855232622/18679e/tvtk9vgsiUA.jpg?size=478x149&quality=96&sign=fa6c17daa0d4d1df686dd60fff761b08&type=album)
LiH и AlH3 можно получить действием водорода на простые вещества – Li (А) и Аl (В). Из положения в ПСХЭ можно узнать, что Б – бор.
Из-за факта того, что А1 – В1 имеют сходный состав, Б1 – гидрид бора. Так как его молярная масса больше 20 но меньше 30, это – Диборан (B2H6)
![Конкурсные задачи 2019, изображение №57](https://sun9-27.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1867a5/D1uMu-u9OeE.jpg?size=230x48&quality=96&sign=b6eae44ef9ef20db24748ee507f5e76b&type=album)
Диборан гидролизуется до H3BO3, проявляющей кислотные свойства.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №58](https://sun9-60.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1867ac/guUCaKaclgI.jpg?size=501x145&quality=96&sign=d8ffbc25c16ce1fd14ddb12f61fbddcf&type=album)
Путем нетрудных математических расчетов устанавливаем формулу E1 – Al2[B4H18]
![Конкурсные задачи 2019, изображение №59](https://sun9-30.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1867bb/5Q0vCXMhFcI.jpg?size=387x40&quality=96&sign=90bdf2e48e6ffdc32e735e4fb1ecf98c&type=album)
Не сложнее установить, что Г3 – LiCl, можно получить реакцией
![Конкурсные задачи 2019, изображение №60](https://sun9-60.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1867c2/DhGbBjQgVCQ.jpg?size=402x75&quality=96&sign=d1f047332688ad252e984589bfc2c71a&type=album)
Последние штрихи:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №61](https://sun9-28.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1867d3/vNs5snuhugc.jpg?size=421x80&quality=96&sign=b5d91573a10e4160a986409ac2d8be1c&type=album)
Итого:
![Конкурсные задачи 2019, изображение №62](https://sun9-41.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1867e5/ouYRIVk3fNY.jpg?size=771x122&quality=96&sign=a6a0d3071944efacf9560645be00252d&type=album)
Пройдемся по вопросам:
2. BH3, B4H10, B5H9 и т.п.
3.Связи Al – H слабее чем B – Н, их легче разорвать и LiAlH4 более реакционноспособен и проявляет более сильные восстановительные свойства. Эти вещества используются в органическом синтезе как восстановители.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №63](https://sun9-85.userapi.com/impg/c855232/v855232622/1867fc/Tod-OGBUBz8.jpg?size=472x141&quality=96&sign=4bf76dac98d195a6a6e398a230f14db0&type=album)
4.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №64](https://sun9-51.userapi.com/impg/c855232/v855232622/186803/cTsyoj-ZK2A.jpg?size=577x39&quality=96&sign=da57995ad2337cdbac0bfe796d0d2997&type=album)
Список использованной литературы:
-Лидин Р.А. и др. Химические свойства неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов
-Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия
-Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.
6. X-простое вещество
Егор Старовойтов
Автор не предоставил собственного названия, так что его придумала администрация
На приведённой ниже схеме представлены превращения соединений одного химического элемента, атомов которого больше всего во Вселенной.
![Конкурсные задачи 2019, изображение №65](https://sun9-42.userapi.com/impg/c855232/v855232276/185ea9/uqvToyvPq3s.jpg?size=462x288&quality=96&sign=43ba955e0d401ccd0ca69b1686063439&type=album)
Известно, что:
X-простое вещество
А-солеобразное соединение, один из элементов которого окрашивает пламя горелки в жёлтый цвет.
Массовая доля одного из элементов в бинарном соединении B равна 21,74%
C используется в органическом синтезе как восстановительный агент.
Практически половина мирового выпуска водорода идёт на производство бинарного соединения D, часто используемого в медицине в качестве раствора.
1) определите вещества X, A-E
2) напишите уравнения реакций 1-6
3) Опишите ещё два способа получения X в лаборатории.
Решение:
Самым распространённым элементом во Вселенной является водород, следовательно простое вещество X — это H2.
Пламя горелки в жёлтый цвет окрашивают ионы натрия, тогда в соединении А присутствуют катионы натрия, а так как в нём присутствует и водород можно предположить, что это гидрид натрия NaH.
Так как B-это бинарное соединение, содержащее водород, то его формулу можно записать как ЭхHy. Достаточно малое содержание одного из элементов наталкивает на то, что нам дана массовая доля водорода, тогда y/(Мэ*x+y)=0,2174
Мэ=3,6*(y/x)
Методом подбора получаем Мэ=10,8 при y/x=3, следовательно B-диборан, гидрид бора с формулой B2H6 (молекулы с формулой BH3 в свободном виде не существует).
При взаимодействии гидрида натрия с дибораном образуется боргидрид натрия, который часто используется в органической химии для восстановления, например, карбонильных соединений до спиртов.
По описанию модно установить, что D – это аммиак. При взаимодействии с гидридом натрия образуется амид натрия и выделяется водород. При взаимодействии с коксом амида натрия образуется цианид натрия и также выделяется водород.
X – H2
A – NaH
B – B2H6
C – Na[BH4]
D – NH3
E – NaNH2
1) 2Na + H2 = 2NaH
2) 2NaH + B2H6 = 2Na[BH4]
3) NaBH4 + 3H2O + HCl = NaCl + B(OH)3 + 4H2
4) N2 + 3H2 = 2NH3
5) NaH + NH3 = NaNH2 + H2
6) NaNH2 + C = NaCN + H2
Два возможных лабораторных способа получения водорода:
1) электролиз воды
2H2O = 2H2 + O2
2) Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
Источники: https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BC%D0%B8%D0%B4_%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%8F https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%B8%D0%B4_%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%8F https://chemiday.com/reaction/3-1-0-2242