Мастер-класс по решению задач на определение формулы вещества: «Маска, я тебя знаю !»
методическая разработка по химии (10 класс) на тему

Мастер-класс по решению задач на определение формулы вещества:

«Маска, я тебя знаю !»

Задачи на определение формулы органического вещества бывают нескольких видов. Обычно решение этих задач не представляет особых сложностей, однако часто выпускники теряют баллы на этой задаче. Причин бывает несколько:

1. Некорректное оформление;
2. Решение не математическим путем, а методом перебора;
3. Неверно составленная общая формула вещества;
4. Ошибки в уравнении реакции с участием вещества, записанного в общем виде.

Типы задач в задании С5.

1. Определение формулы вещества по массовым долям химических элементов или по общей формуле вещества;
2. Определение формулы вещества по продуктам сгорания;
3. Определение формулы вещества по химическим свойствам.

Необходимые теоретические сведения.

1. Массовая доля элемента в веществе.
   Массовая доля элемента — это его содержание в веществе в процентах по массе.
   Например, в веществе состава С2Н4 содержится 2 атома углерода и 4 атома водорода. Если взять 1 молекулу такого вещества, то его молекулярная масса будет равна:
   Мr(С2Н4) = 2 • 12 + 4 • 1 = 28 а.е.м. и там содержится 2 • 12 а.е.м. углерода.

Чтобы найти массовую долю углерода в этом веществе, надо его массу разделить на массу всего вещества:
ω(C) = 12 • 2 / 28 = 0,857 или 85,7%.
Если вещество имеет общую формулу СхНуОz, то массовые доли каждого их атомов так же равны отношению их массы к массе всего вещества. Масса х атомов С равна — 12х, масса у атомов Н — у, масса z атомов кислорода — 16z.
Тогда     ω(C) = 12 • х / (12х + у + 16z)

2. Молекулярная и простейшая формула вещества.

Молекулярная (истинная) формула — формула, в которой отражается реальное число атомов каждого вида, входящих в молекулу вещества.
Например, С6Н6 — истинная формула бензола.
Простейшая (эмпирическая) формула — показывает соотношение атомов в веществе.
Например, для бензола соотношение С:Н = 1:1, т.е. простейшая формула бензола — СН.
Молекулярная формула может совпадать с простейшей или быть кратной ей.

Примеры.

Если в задаче даны только массовые доли элементов, то в процессе решения задачи можно вычислить только простейшую формулу вещества. Для получения истинной формулы в задаче обычно даются дополнительные данные — молярная масса, относительная или абсолютная плотность вещества или другие данные, с помощью которых можно определить молярную массу вещества.

3. Относительная плотность газа Х по газу У — DпоУ(Х).
   Относительная плотность D — это величина, которая показывает, во сколько раз газ Х тяжелее газа У. Её рассчитывают как отношение молярных масс газов Х и У:
   DпоУ(Х) = М(Х) / М(У)
   Часто для расчетов используют относительные плотности газов по водороду и по воздуху.
   Относительная плотность газа Х по водороду:
   Dпо H2 = M(газа Х) / M(H2) = M(газа Х) / 2
   Воздух — это смесь газов, поэтому для него можно рассчитать только среднюю молярную массу. Её величина принята за 29 г/моль (исходя из примерного усреднённого состава).
   Поэтому:
   Dпо возд. = М(газа Х) / 29
4. Абсолютная плотность газа при нормальных условиях.

Абсолютная плотность газа — это масса 1 л газа при нормальных условиях. Обычно для газов её измеряют в г/л.
ρ = m(газа) / V(газа)
Если взять 1 моль газа, то тогда:
ρ = М / Vm,
а молярную массу газа можно найти, умножая плотность на молярный объём.

5. Общие формулы веществ разных классов.
   Часто для решения задач с химическими реакциями удобно пользоваться не обычной общей формулой, а формулой, в которой выделена отдельно кратная связь или функциональная группа.

Определение формул веществ по массовым долям атомов, входящих в его состав.

Решение таких задач состоит из двух частей:

• сначала находят мольное соотношение атомов в веществе — оно соответствует его простейшей формуле. Например, для вещества состава АхВу соотношение количеств веществ А и В соответствует соотношению числа их атомов в молекуле:
  х : у = n(A) : n(B);
• затем, используя молярную массу вещества, определяют его истинную формулу.

1. Пример 1.
   Определить формулу вещества, если оно содержит 84,21% С и 15,79% Н и имеет относительную плотность по воздуху, равную 3,93.

Решение примера 1. 

1. Пусть масса вещества равна 100 г. Тогда масса С будет равна 84,21 г, а масса Н — 15,79 г.
2. Найдём количество вещества каждого атома:
   ν(C) = m / M = 84,21 / 12 = 7,0175 моль,
   ν(H) = 15,79 / 1 = 15,79 моль.
3. Определяем мольное соотношение атомов С и Н:
   С : Н = 7,0175 : 15,79 (сократим оба числа на меньшее) = 1 : 2,25 (домножим на 4) = 4 : 9.
   Таким образом, простейшая формула — С4Н9.
4. По относительной плотности рассчитаем молярную массу:
   М = D(возд.) • 29 = 114 г/моль.
   Молярная масса, соответствующая простейшей формуле С4Н9 — 57 г/моль, это в 2 раза меньше истинно молярной массы.
   Значит, истинная формула — С8Н18.

Есть гораздо более простой метод решения такой задачи, но, к сожалению, за него не поставят полный балл. Зато он подойдёт для проверки истинной формулы, т.е. с его помощью вы можете проверить своё решение.

Метод 2: Находим истинную молярную массу (114 г/моль), а затем находим массы атомов углерода и водорода в этом веществе по их массовым долям.
m(C) = 114 • 0,8421 = 96; т.е. число атомов С 96/12 = 8
m(H) = 114 • 0,1579 = 18; т.е число атомов Н 18/1 = 18.
Формула вещества — С8Н18.

Ответ: С8Н18.

1. Пример 2.
   Определить формулу алкина с плотностью 2,41 г/л при нормальных условиях.

Решение примера 2.

Общая формула алкина СnH2n−2
Как, имея плотность газообразного алкина, найти его молярную массу? Плотность ρ — это масса 1 литра газа при нормальных условиях.
Так как 1 моль вещества занимает объём 22,4 л, то необходимо узнать, сколько весят 22,4 л такого газа:
M = (плотность ρ) • (молярный объём Vm) = 2,41 г/л • 22,4 л/моль = 54 г/моль.
Далее, составим уравнение, связывающее молярную массу и n:

14 • n − 2 = 54, n = 4.
Значит, алкин имеет формулу С4Н6.

Ответ: С4Н6.

1. Пример 3.
   Определить формулу предельного альдегида, если известно, что 3•1022 молекул этого альдегида весят 4,3 г.

Решение примера 3.

В этой задаче дано число молекул и соответствующая масса. Исходя из этих данных, нам необходимо вновь найти величину молярной массы вещества.
Для этого нужно вспомнить, какое число молекул содержится в 1 моль вещества.
Это число Авогадро: Na = 6,02•1023 (молекул).
Значит, можно найти количество вещества альдегида:
ν = N / Na = 3•1022 / 6,02•1023 = 0,05 моль,
и молярную массу:
М = m / n = 4,3 / 0,05 = 86 г/моль.
Далее, как в предыдущем примере, составляем уравнение и находим n.
Общая формула предельного альдегида СnH2nO, то есть М = 14n + 16 = 86, n = 5.

Ответ: С5Н10О, пентаналь.

1. Пример 4.
   Определить формулу дихлоралкана, содержащего 31,86 % углерода.

Решение примера 4.

Общая формула дихлоралкана: СnH2nCl2, там 2 атома хлора и n атомов углерода.
Тогда массовая доля углерода равна:
ω(C) = (число атомов C в молекуле) • (атомная масса C) / (молекулярная масса дихлоралкана)
0,3186 = n • 12 / (14n + 71)
n = 3, вещество — дихлорпропан.

Ответ: С3Н6Cl2, дихлорпропан.

Определение формул веществ по продуктам сгорания.

В задачах на сгорание количества веществ элементов, входящих в исследуемое вещество, определяют по объёмам и массам продуктов сгорания — углекислого газа, воды, азота и других. Остальное решение — такое же, как и в первом типе задач.

1. Пример 5.
   448 мл (н. у.) газообразного предельного нециклического углеводорода сожгли, и продукты реакции пропустили через избыток известковой воды, при этом образовалось 8 г осадка. Какой углеводород был взят?

Решение примера 5. 

1. Общая формула газообразного предельного нециклического углеводорода (алкана) — CnH2n+2
   Тогда схема реакции сгорания выглядит так:
   
   CnH2n+2 + О2 → CO2 + H2O
   Нетрудно заметить, что при сгорании 1 моль алкана выделится n моль углекислого газа.
   
   Количество вещества алкана находим по его объёму (не забудьте перевести миллилитры в литры!):
   
   ν(CnH2n+2) = 0,488 / 22,4 = 0,02 моль.
2. При пропускании углекислого газа через известковую воду Са(ОН)2 выпадает осадок карбоната кальция:
   
   СО2 + Са(ОН)2 = СаСО3 + Н2О
   
   Масса осадка карбоната кальция — 8 г, молярная масса карбоната кальция 100 г/моль.
   
   Значит, его количество вещества
   ν(СаСО3) = 8 / 100 = 0,08 моль.
   Количество вещества углекислого газа тоже 0,08 моль.
3. Количество углекислого газа в 4 раза больше чем алкана, значит формула алкана С4Н10.

Ответ: С4Н10.

1. Пример 6.
   Относительная плотность паров органического соединения по азоту равна 2. При сжигании 9,8 г этого соединения образуется 15,68 л углекислого газа (н. у) и 12,6 г воды. Выведите молекулярную формулу органического соединения.

Решение примера 6.

Так как вещество при сгорании превращается в углекислый газ и воду, значит, оно состоит из атомов С, Н и, возможно, О. Поэтому его общую формулу можно записать как СхНуОz.

1. Схему реакции сгорания мы можем записать (без расстановки коэффициентов):
   
   СхНуОz + О2 → CO2 + H2O
   
   Весь углерод из исходного вещества переходит в углекислый газ, а весь водород — в воду.
2. Находим количества веществ CO2 и H2O, и определяем, сколько моль атомов С и Н в них содержится:
   ν(CO2) = V / Vm = 15,68 / 22,4 = 0,7 моль.
   На одну молекулу CO2 приходится один атом С, значит, углерода столько же моль, сколько CO2.

ν(C) = 0,7 моль
ν(Н2О) = m/ M = 12,6 / 18 = 0,7 моль.

В одной молекуле воды содержатся два атома Н, значит количество водорода в два раза больше, чем воды.
ν(H) = 0,7 • 2 = 1,4 моль.

3. Проверяем наличие в веществе кислорода. Для этого из массы всего исходного вещества надо вычесть массы С и Н.
   m(C) = 0,7 • 12 = 8,4 г, m(H) = 1,4 • 1 = 1,4 г
   Масса всего вещества 9,8 г.
   m(O) = 9,8 − 8,4 − 1,4 = 0, т.е.в данном веществе нет атомов кислорода.
   Если бы кислород в данном веществе присутствовал, то по его массе можно было бы найти количество вещества и рассчитывать простейшую формулу, исходя из наличия трёх разных атомов.
4. Дальнейшие действия вам уже знакомы: поиск простейшей и истинной формул.
   С : Н = 0,7 : 1,4 = 1 : 2
   Простейшая формула СН2.
5. Истинную молярную массу ищем по относительной плотности газа по азоту (не забудьте, что азот состоит из двухатомных молекул N2 и его молярная масса 28 г/моль):
   Mист. = Dпо N2 • M(N2) = 2 • 28 = 56 г/моль.
   Истиная формула СН2, её молярная масса 14.
   56 / 14 = 4.
   Истинная формула С4Н8.

Ответ: С4Н8.

1. Пример 7.
   Определите молекулярную формулу вещества, при сгорании 9 г которого образовалось 17,6 г CO2, 12,6 г воды и азот. Относительная плотность этого вещества по водороду — 22,5. Определить молекулярную формулу вещества.

Решение примера 7. 

1. Вещество содержит атомы С,Н и N. Так как масса азота в продуктах сгорания не дана, её надо будет рассчитывать, исходя из массы всего органического вещества.
   Схема реакции горения:
   СхНуNz + O2 → CO2 + H2O + N2 
2. Находим количества веществ CO2 и H2O, и определяем, сколько моль атомов С и Н в них содержится:

ν(CO2) = m / M = 17,6 / 44 = 0,4 моль.
ν(C) = 0,4 моль.
ν(Н2О) = m / M = 12,6 / 18 = 0,7 моль.
ν(H) = 0,7 • 2 = 1,4 моль.

3. Находим массу азота в исходном веществе.
   Для этого из массы всего исходного вещества надо вычесть массы С и Н.

m(C) = 0,4 • 12 = 4,8 г,
m(H) = 1,4 • 1 = 1,4 г

Масса всего вещества 9,8 г.

m(N) = 9 − 4,8 − 1,4 = 2,8 г ,
ν(N) = m /M = 2,8 / 1 = 0,2 моль.

4. C : H : N = 0,4 : 1,4 : 0,2 = 2 : 7 : 1
   Простейшая формула — С2Н7N.
   Истинная молярная масса
   М = Dпо Н2 • М(Н2) = 22,5 • 2 = 45 г/моль.
   Она совпадает с молярной массой, рассчитанной для простейшей формулы. То есть это и есть истинная формула вещества.

Ответ: С2Н7N.

1. Пример 8.
   Вещества содержит С, Н, О и S. При сгорании 11 г его выделилось 8,8 г CO2, 5,4 г Н2О, а сера была полностью переведена в сульфат бария, масса которого оказалась равна 23,3 г. Определить формулу вещества.

Решение примера 8.

Формулу заданного вещества можно представить как CxHySzOk. При его сжигании получается углекислый газ, вода и сернистый газ, который затем превращают в сульфат бария. Соответственно, вся сера из исходного вещества превращена в сульфат бария.

1. Находим количества веществ углекислого газа, воды и сульфата бария и соответствующих химических элементов из исследуемого вещества:

ν(CO2) = m/M = 8,8/44 = 0,2 моль.
ν(C) = 0,2 моль.
ν(Н2О) = m / M = 5,4 / 18 = 0,3 моль.
ν(H) = 0,6 моль.
ν(BaSO4) = 23,3 / 233 = 0,1 моль.
ν(S) = 0,1 моль.

2. Рассчитываем предполагаемую массу кислорода в исходном веществе:

m(C) = 0,2 • 12 = 2,4 г
m(H) = 0,6 • 1 = 0,6 г
m(S) = 0,1 • 32 = 3,2 г
m(O) = mвещества − m(C) − m(H) − m(S) = 11 − 2,4 − 0,6 − 3,2 = 4,8 г,
ν(O) = m / M = 4,8 / 16 = 0,3 моль

3. Находим мольное соотношение элементов в веществе:
   C : H : S : O = 0,2 : 0,6 : 0,1 : 0,3 = 2 : 6 : 1 : 3
   Формула вещества C2H6SO3.
   Надо отметить, что таким образом мы получили только простейшую формулу.
   Однако, полученная формула является истинной, поскольку при попытке удвоения этой формулы (С4Н12S2O6) получается, что на 4 атома углерода, помимо серы и кислорода, приходится 12 атомов Н, а это невозможно.

Ответ: C2H6SO3.

Определение формул веществ по химическим свойствам.

1. Пример 9.
   Определить формулу алкадиена, если г его могут обесцветить 80 г 2%-го раствора брома.

Решение примера 9. 

1. Общая формула алкадиенов — СnH2n−2.
   Запишем уравнение реакции присоединения брома к алкадиену, не забывая, что в молекуле диена две двойные связи и, соответственно, в реакцию с 1 моль диена вступят 2 моль брома:
   СnH2n−2 + 2Br2 → СnH2n−2Br4 
2. Так как в задаче даны масса и процентная концентрация раствора брома, прореагировавшего с диеном, можно рассчитать количества вещества прореагировавшего брома:

m(Br2) = mраствора • ω = 80 • 0,02 = 1,6 г
ν(Br2) = m / M = 1,6 / 160 = 0,01 моль.

3. Так как количество брома, вступившего в реакцию, в 2 раза больше, чем алкадиена, можно найти количество диена и (так как известна его масса) его молярную массу:

4. Мдиена = m / ν = 3,4 / 0,05 = 68 г/моль.
5. Находим формулу алкадиена по его общей формул, выражая молярную массу через n:

14n − 2 = 68
n = 5.

Это пентадиен С5Н8.

Ответ: C5H8.

1. Пример 10.
   При взаимодействии 0,74 г предельного одноатомного спирта с металлическим натрием выделился водород в количестве, достаточном для гидрирования 112 мл пропена (н. у.). Что это за спирт?

Решение примера 10. 

1. Формула предельного одноатомного спирта — CnH2n+1OH. Здесь удобно записывать спирт в такой форме, в которой легко составить уравнение реакции — т.е. с выделенной отдельно группой ОН.
2. Составим уравнения реакций (нельзя забывать о необходимости уравнивать реакции):

2CnH2n+1OH + 2Na → 2CnH2n+1ONa + H2
C3H6 + H2 → C3H8 

3. Можно найти количество пропена, а по нему — количество водорода. Зная количество водорода, по реакции находим количество вещества спирта:

ν(C3H6) = V / Vm = 0,112 / 22,4 = 0,005 моль => ν(H2) = 0,005 моль,
νспирта = 0,005 • 2 = 0,01 моль.

4. Находим молярную массу спирта и n:

Mспирта = m / ν = 0,74 / 0,01 = 74 г/моль,
14n + 18 = 74
14n = 56
n = 4.

Спирт — бутанол С4Н7ОН.

Ответ: C4H7OH.

1. Пример 11.
   Определить формулу сложного эфира, при гидролизе 2,64 г которого выделяется 1,38 г спирта и 1,8 г одноосновной карбоновой кислоты.

Решение примера 11. 

1. Общую формулу сложного эфира, состоящего из спирта и кислоты с разным числом атомов углерода можно представить в таком виде:
   CnH2n+1COOCmH2m+1
   Соответственно, спирт будет иметь формулу
   CmH2m+1OH,
   а кислота
   CnH2n+1COOH.
   Уравнение гидролиза сложного эфира:
   CnH2n+1COOCmH2m+1 + H2O → CmH2m+1OH + CnH2n+1COOH
2. Согласно закону сохранения массы веществ, сумма масс исходных веществ и сумма масс продуктов реакции равны.
   Поэтому из данных задачи можно найти массу воды:

mH2O = (масса кислоты) + (масса спирта) − (масса эфира) = 1,38 + 1,8 − 2,64 = 0,54 г
νH2O = m / M = 0,54 / 18 = 0,03 моль

Соответственно, количества веществ кислоты и спирта тоже равны моль.
Можно найти их молярные массы:

Мкислоты = m / ν = 1,8 / 0,03 = 60 г/моль,
Мспирта = 1,38 / 0,03 = 46 г/моль.

Получим два уравнения, из которых найдём m и n:

MCnH2n+1COOH = 14n + 46 = 60, n = 1 — уксусная кислота
MCmH2m+1OH = 14m + 18 = 46, m = 2 — этанол.

Таким образом, искомый эфир — это этиловый эфир уксусной кислоты, этилацетат.

Ответ: CH3COOC2H5.

1. Пример 12.
   Определить формулу аминокислоты, если при действии на 8,9 г её избытком гидроксида натрия можно получить 11,1 г натриевой соли этой кислоты.

Решение примера 12. 

1. Общая формула аминокислоты (если считать, что она не содержит никаких других функциональных групп, кроме одной аминогруппы и одной карбоксильной):
   NH2–CH(R)–COOH.
   Можно было бы записать её разными способами, но для удобства написания уравнения реакции лучше выделять в формуле аминокислоты функциональные группы отдельно.
2. Можно составить уравнение реакции этой аминокислоты с гидроксидом натрия:
   NH2–CH(R)–COOH + NaOH → NH2–CH(R)–COONa + H2O
   Количества вещества аминокислоты и её натриевой соли — равны. При этом мы не можем найти массу какого-либо из веществ в уравнении реакции. Поэтому в таких задачах надо выразить количества веществ аминокислоты и её соли через молярные массы и приравнять их:

M(аминокислоты NH2–CH(R)–COOH) = 74 + МR 
M(соли NH2–CH(R)–COONa) = 96 + МR
νаминокислоты = 8,9 / (74 + МR),
νсоли = 11,1 / (96 + МR)
8,9 / (74 + МR) = 11,1 / (96 + МR)
МR = 15

Легко увидеть, что R = CH3.
Можно это сделать математически, если принять, что R — CnH2n+1.
14n + 1 = 15, n = 1.
Это аланин — аминопропановая кислота.

Ответ: NH2–CH(CH3)–COOH

Решение олимпиадных задач на определение формулы вещества.

Задача № 1 2. Соль Х содержит 61.3 % фтора по массе. При ее термическом разложении образуется соль Y, содержащая 45.2 масс. % фтора; масса соли при этом уменьшается в 1.48 раза. Определите формулы веществ X и Y. 

     Ответ: X - NaHF2, Y – NaF

Задача № 2 В минерале ашарите на 1 атом элемента Х приходится 1 атом элемента Y. Кроме того, в минерале  массовая доля магния 28,9%,  кислорода 57,05%. Установите формулу ашарита. В каком еще минерале массовая доля магния 29%,  кислорода 57%.

Ответ: ашарит  MgHBO3, магнезит MgCO3

Задача  3 . В 1704 г., во время осады Нарвы русскими войсками, комендант крепости шведский генерал получал регулярные донесения разведчиков, которые маскировались под записки незначительного содержания. При нагревании между строк проступали синие буквы. Потом секретный текст снова исчезал. Позднее секретная служба Петра I установила, что шведский аптекарь Якоб Вайц изобрел секретные чернила на основе розового неорганического соединения. Напишите формулы веществ, обуславливающих розовую и синюю окраску этих секретных чернил

Решение. CoCl2 × 6H2O(или [Co(H2O)6]Cl2) – розовая окраска секретных чернил;

безводный CoCl2(или CoCl2 × 2H2O) – синяя окраска секретных чернил

Задание № 4 . В заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря находятся богатейшие запасы минерала мирабилита — кристаллогидрата сульфата натрия. Каждый год в конце ноября, когда температура воды падает до 6°С, вода оказывается насыщенной сульфатом натрия, и мирабилит начинает выделяться в виде бесцветных кристаллов, оседающих на дно залива и на его берегах. Эти кристаллы содержат в своем составе соль и воду.
Для определения формулы мирабилита растворили 3,22 г минерала в воде. К полученному раствору прилили избыток раствора хлорида бария. Выпавший осадок был отфильтрован, промыт и взвешен. Его масса оказалась равной 2,33 г. На основе химического анализа определите формулу минерала мирабилита. Запишите уравнение реакции. 

Решение .   Na2SO4·xH2O + BaCI2 = 2NaCI + BaSO4↓ + xH2O
ν(BaSO4) = ν(Na2SO4·xH2O) = 0,01 моль
М(Na2SO4·xH2O) = 3,22/0,01 = 322 г/моль
М(Na2SO4) = 142 г/моль
Разность молярных масс составляет 322–142 = 180
Х = 180г / 18г/моль = 10 моль
Формула мирабилита Na2SO4·10H2O

Задача № 5. Неизвестный металл Х – белый с серым оттенком, очень твёрдый, тугоплавкий, высококипящий, редкий. При 0.47 К переходит в сверхпроводящее состояние. Был открыт и выделен в чистом виде профессором Казанского университета Карлом Карловичем Клаусом в 1944 году. Первооткрыватель назвал его в честь России. У этого металла немало ценных и интересных свойств. По своим механическим, электрическим и химическим характеристикам он может соперничать со многими металлами и даже с платиной и золотом. Х является катализатором многих химических реакций, его добавки увеличивают коррозионную устойчивость и износостойкость ряда металлов, сам Х и его сплавы находят применение в качестве жаропрочных конструкционных материалов в аэрокосмической технике.

В компактном виде металл Х не растворяется в щелочах, кислотах и даже в кипящей царской водке. Однако, несмотря на повышенную устойчивость в металлическом состоянии, Х является самым «многовалентным» элементом: для него известны соединения в десяти различных степенях окисления, от -2 до +8. Легкость перехода из одного валентного состояния в другое и обилие этих состояний приводят к чрезвычайной сложности и своеобразию химии этого элемента, которая до сих пор изобилует множеством белых пятен.

1. Определите неизвестный металл Х, если известно, что в соединении ХFn, которое представляет собой тёмно-зелёные кристаллы, массовая доля F составляет 48,469 %.

Ниже приведена схема взаимопревращений различных соединений металла Х (те же превращения показаны на рис.1 ):

             3000С

1. A + H2  → X + H2O;

                  > 7000C

      2) X + O2 → A + B↑;

                       1800C, р

3. X + CO  →  E;

      8500С

4) X + Cl2 → F;

5) F + KCl + H2O →G;

6) B + HCl(конц.) + NH4Cl(конц.) →  D↓ + Cl2↑ + H2O;

7) F + KOH(разб.) + KBrO3 →  C + KBr + KCl + H2O;

8) B + KOH →  C + O2 ↑ + H2O.

Дополнительно известно, что:

A – соединение сине-чёрного цвета, содержащее 75,94% Х по массе.

B – соединение жёлто-оранжевого цвета, содержащее 61,21 % Х по массе.

C – соединение элемента Х, представляющее собой тёмно-зелёные кристаллы. Устойчиво в щелочном растворе, дающем осадок с раствором нитрата бария.

D – кристаллы чёрного цвета, содержащие 28,86 % Х по массе.

Е – летучая жидкость, в состав молекулы которой входит один атом Х.

F – чёрно-коричневое вещество, разлагающееся при сильном нагревании. Массовая доля Х равна 48,7%.

G – тёмно-красные кристаллы, растворимые в воде и неорганических кислотах. Измерения электропроводности водного раствора этих кристаллов показывают, что вещество диссоциирует на три иона.

    2. Напишите формулы веществ A-G и приведите их названия.

3. Напишите уравнения реакций 1) - 8).

Решение.

1. Из описания металла следует, что речь идет о рутении. Можно, однако, выйти на этот элемент и с помощью цифр. Массовая доля фтора в соединении Х Fn F = 19n/(Mx + 19n) = 0,48469. Решая это уравнение относительно Мх, получаем 19n = 0,48469(Mx + 19n) или 0,48469Mx = 0,51531*19n, откуда Мх = 20,2n. Единственное разумное решение получается при n = 5: Мх = 101 г/моль, М = Ru.

2. Вещества А и B получаются в реакции металла с кислородом, следовательно, это оксиды. Для выяснения состава рассмотрим мольное отношение Ru : O в их оксидах. Для А Ru : О = 75,94/101,1 : 24,06/16 = 0,75 : 1,5 = 1 : 2, следовательно, А – RuO2 – диоксид рутения (оксид рутения (IV)). Для B  Ru : О = 61,21/101,1 : 38,79/16 = 0,605 : 2,42 = 1 : 4, следовательно, B – RuO4 – тетраоксид рутения.

Исходя из способа получения и описанных свойств, Е – это карбонил рутения. Поскольку его молекула содержит один атом рутения, то, по правилу 18 электронов, Е – Ru(CO)5 – пентакарбонил рутения (пентакарбонилрутений).

Соединение F образуется при обработке рутения хлором, следовательно, это хлорид. Мольное соотношение Ru : Cl = 48,7/101,1 : 51,3/35,5 = 0,482 : 1,445 = 1 : 3, следовательно F – RuCl3 – трихлорид рутения (хлорид рутения (III)).

По способу получения G – комплексный хлорид рутения(III) и должен иметь состав Kn[Ru(H2O)3-nCl3+n], т. к. координационное число рутения(III) равно 6. Поскольку вещество диссо циирует на три иона, следовательно, n = 2. То есть, G – K2[Ru(H2O)Cl5] – пентахлороакварутенат(III) калия.

Еще один комплексный хлорид рутения – вещество D, образующееся при восстановлении тетраоксида рутения соляной кислотой в концентрированном растворе хлорида аммония. На одну структурную единицу этого соединения приходится 101,1/0,2886 = 350,3 а.е.м., что практически совпадает с суммой масс 6 атомов хлора, атома рутения и двух ионов аммония: 6*35,5 + 101,1 + 2*18 = 350,1.

Следовательно, D – (NH4)2[RuCl6] – гексахлорорутенат(IV) калия.

Соединение С получается при окислении хлорида рутения(III) и при восстановлении тетраоксида рутения в щелочной среде. Из схемы реакции 8 следует, что оно содержит рутений, калий и, повидимому, кислород. Поскольку его раствор дает осадок в реакции с нитратом бария, это вещество по составу должно быть похоже на сульфат, манганат, феррат (на эту же мысль наталкивает схема реакции 7), следовательно, C – K2RuO4 – рутенат калия.

3. Уравнения реакций:

1) RuO2 + 2H2 →Ru + 2H2O;

2) Ru + O2→ RuO2, Ru + 2O2 → RuO4 (запись обоих продуктов в одном уравнении лишена

смысла, поскольку соотношение образующихся в реакции с кислородом оксидов зависит от многих параметров и не может определяться стехиометрией суммарной реакции);

3) Ru + 5CO →Ru(CO)5; 4) 2Ru + 3Cl2→ RuCl3; 5) RuCl3 + 2KCl + H2O→ K2[Ru(H2O)Cl5];

6) RuO4 + 8HCl(конц.) + 2NH4Cl(конц.) →(NH4)2[RuCl6] + 2Cl2 + 4H2O;

7) 2RuCl3 + 10KOH(разб.) + KBrO3 →2K2RuO4 + KBr + 6KCl + 5H2O;

8) 2RuO4 + 4KOH →2K2RuO4 + O2 + 2H2O.

4. Молярная масса вещества Н 101,1/0,3687 = 274,2, мольное соотношение Ru : N = 36,87/101,1 :

30,65/14 = 0,365 : 2,19 = 1 : 6. Учитывая способ получения, можно сделать вывод, что H - гексаамми-нокомплекс рутения. На металл и 6 молекул аммиака приходится 101,1+6*17 = 203,1 а.е.м., остается    274,2-203,1 = 71,1 а.е.м., что с хорошей точностью соответствует 2 атомам хлора. Следовательно, Н– [Ru(NH3)6]Cl2 – хлорид гексаамминрутения(II). В кислых растворах это соединение теряет одну молекулу аммиака, которая замещается на молекулу воды. Образующийся хлорид аквапентаамминрутения(II) (вещество I) способен в условиях повышенного давления азота присоединять одну молекулу N2 взамен H2O, образуя хлорид диазотпентаамминрутения(II) (вещество J). Уравнения реакций:

а) 2RuCl3 + 12NH3(конц.) + Zn = 2[Ru(NH3)6]Cl2 + ZnCl2;

б) [Ru(NH3)6]Cl2 + H2O = [Ru(NH3)5(H2O)]Cl2 + NH3;

в) [Ru(NH3)5(H2O)]Cl2 + N2 = [Ru(NH3)5(N2)]Cl2 + H2O.

5. Чтобы получилась антипризма, стерическое число центрального атома должно быть равно 8, т.е. он должен быть достаточно большого размера. Примеры таких частиц: [XeF8]2-, [Ba(H2O)8]2+.

Задача 6 При обработке смеси двух твердых веществ А и Б горячей концентрированной азотной кислотой образуется газ В, раствор вещества Г и осадок Д. При нагревании этой же смеси до 150-200°C видимых изменений не происходит, а при сильном прокаливании при 800-900°C без доступа воздуха образуются только два продукта: металл М и газообразное при нормальных условиях вещество Е. Они устойчивы в условиях опыта. Те же продукты образуются при прокаливании смеси веществ А и Д. Пропускание газа Е через известковую воду приводит к выпадению осадка, который потом полностью растворяется, образуя вещество Ж. При длительном нагревании при 450 С порошка металла М на воздухе образуется соединение З с массовой долей кислорода 9,334%. Вещество З полностью растворяется в избытке щелочи и лишь частично в избытке разбавленной азотной кислоты. Назовите все перечисленные вещества. Напишите уравнения упомянутых реакций.
          Решение. Вещество З - это оксид. Пусть его состав MexOy. Тогда его молекулярная масса Mr = Ar(Me) * x + 16 * y. Отсюда вычисляем, что массовая доля кислорода = 0,09334 = 16y / (x * Ar(Me) + 16y). Выводим Ar(Me) = 155,25 * y/x. При x = 1,2,4 нет решений ни при каких значениях y. При x = 3 и y = 1,2,5 - нет решений, при y = 4 - это Pb3O4. Получаем реакции:
3Pb + 2O2 → Pb3O4
Pb3O4 + 6NaOH + 4H2O → 2Na2[Pb(OH)4] + Na2[Pb(OH)6]
Pb3O4 + 4HNO3 → 2Pb(NO3)2 + PbO2 + 2H2O
Газ Е - это CO2 или SO2, так как с гидроксидом кальция он образует осадок, который затем растворяется. Углекислый газ следует исключить, так как любое соединение свинца, углерода и кислорода при действии концентрированной азотной кислоты при нагревании растворяется полностью. Значит Е это сернистый газ, тогда Д - это сульфат свинца (II). Если Д - сульфат свинца (II), то А - сера или сульфид свинца, но так как смесь до 200 С не изменяется, то серу следует исключить, следовательно А - это PbS. Поскольку вещество А не содержит кислорода, то Б обязательно должно его содержать, а также он может содержать свинец и серу. Если Б не содержит свинца то это сернистый газ, что не подходит; также не подходит оксид серы (VI). Следовательно Б содержит свинец. Если Б содержит серу, то возможны только два варианта - сульфит или сульфат свинца. Оба не подходят, так как при обработке горячей концентрированной азотной кислотой образуют нерастворимый сульфат свинца и в растворе ничего не остается. Следовательно Б не содержит серы и является оксидом свинца. Из 3 окислов подходит только PbO, так как при реакции с азотной кислотой с другими окислами свинца в осадке всегда будет еще и PbO2. Значит получаем еще следующие реакции:
PbS + 8HNO3 → PbSO4 + H2O + 8NO2
PbO + 2HNO2 → Pb(NO3)2 + H2O
PbS + PbSO4 → 2Pb + 2SO2
Ca(OH)2 + SO2 → CaSO3 + H2O
CaSO3 + SO2 + H2O → Ca(HSO3)2
PbS + 2PbO → 3Pb + SO2

Задача 7  Нагревание на воздухе при температуре 400–500оС  некоторого металла А приводит к образованию бинарного кислородсодержащего соединения В, содержание металла как элемента в котором составляет 90,7 масс.%. Нагревание соединения В выше температуры 600оС приводит к образованию оксида С, массовая доля металла при этом повышается. Обработка соединения В безводной уксусной кислотой в присутствии уксусного ангидрида с последующим пропусканием сухого хлора приводит к получению белых игольчатых кристаллов вещества D , содержание металла в котором составляет 46,7 масс.%. Вещество D нацело гидролизуется в водном растворе с образованием оксида Е. Нагревание вещества Е при температуре 400оС вновь приводит к соединению В. Определите вещества, упомянутые в задании, и напишите все уравнения реакций

Решение.

Искомый металл А – это свинец, тогда реакции будут выглядеть так:

3Pb+2O2=Pb3O4 (400-500оC),

2Pb3O4=6PbO+O2 (>600оC),

Pb3O4+12CH3COOH+2Cl2=3Pb(CH3COO)4+4H2O+4HCl,

Pb(CH3COO)4+2H2O=PbO2+4CH3COOH,

3PbO2=Pb3O4+O2 (400оC).

Расчеты

1. w(Pb) = 90,7%, x : y = 90,7/207 : 9,3/16 = 0,4 : 0,58 = 1 : 1,45 (PbO),

w(O) = 9,3%; 2 : 2,9 (Pb2O3),

PbxOy - ? 3 : 4 (Pb3O4).

2. w(Pb) = 46,7%, x : y = 46,7/207 : 53,3/59 = 0,22 : 0,9 = 1 : 4

w(CH3COOH) = 53,3 %; Pb(CH3COO)4

Ответ : А – Pb ,  B – Pb3O4 , C – PbO , D – Pb(CH3COO)4 , E – PbO .

Задача № 4  Неорганические соединения А, B, C, D, E, F, G, Н состоят из металла X и неметалла Y (содержание металла приведено в таблице). Все они – твёрдые вещества.

Таблица 1 Содержание металла в соединениях B–Н

А взаимодействует с газом М (Dвозд.= 0,9655), при этом выделяется газ N (Dазот= 1,1429) и образуется вещество К, масса которого составляет 90,06 % от исходной навески А. Если растворить К в воде и добавить хлорную кислоту, то выделяется газ L и выпадает осадок Т.

1. Определите зашифрованные буквами вещества.

2. Напишите уравнения реакций.

3. Будут ли соединения B, C и D реагировать с газом L? Напишите уравнения соответствующих реакций.

4. Как получают соединения A, B, C и D?

5. Каким образом был открыт элемент Х?

Решение

1–2. М (M) =29 ∙ 0,9655 = 28 (г/моль)

Этому условию удовлетворяют CO, B2H6, N2, C2H4. Сразу можно исключить азот, т. к. азот взаимодействует напрямую только с магнием и литием, причем в ходе этих реакций газообразные вещества не образуются.

M (N) = 1,1429 ∙ 28 = 32 (г/моль)

Этому условию удовлетворяют O2, CH3OH. Однако метанол газом не является. Представить образование кислорода при взаимодействии вещества А с дибораном или этиленом сложно. Значит, газом, вступающим во взаимодействие, является CO.

В реакции, в результате которых при взаимодействии с твердым веществом, образуется кислород, вступают пероксиды, надпероксиды и озониды щелочных металлов. Запишем соответствующие реакции:

Me2O2 + COMe2CO3                         (1)

2MeO2 + COMe2CO3 + O2                 (2)

2MeO3 + COMe2CO3 + 2O2                 (3)

Уравнение 1 не подходит, потому что не выделяется газ.

По уравнению 2 получаем

Положительного решения найти не удается.

Из (3) получаем

М(Me) = 133,09 г/моль. Это Cs.

2CsO3 + COCs2CO3 + 2O2

             A          M         K           N

Cs2CO3 + 2HClO4 → 2CsClO4↓ + H2O + CO2↑

    K                                 T                            L

По массовой доле Х находим остальные соединения:

E = Cs7O; F = Cs4O; G = Cs3O; H = Cs11O3.

Это продукты частичного окисления цезия при низких температурах (иногда называются субоксидами).

A        CsO3        M        CO         L        CO2

B        Cs2O2        N        O2

C        Cs2O        K        Cs2CO3

D        CsO2        T        CsClO4

3. Все три соединения будут реагировать с СО2

2Cs2O2 + 2CO2 → 2Cs2CO3 + O2

Cs2O + CO2 → Cs2CO3

4CsO2 + 2CO2 → 2Cs2CO3 + 3O2

4. Получение А:

6CsOH(тв.) + 4O3 → 4CsO3 + 2CsOH∙H2O + O2

Получение В:

2Cs + 2NO → Cs2O2 + N2

Также соединение В можно получить количественным окислением цезия, растворенного в жидком аммиаке, кислородом.

Получение соединения С:

Cs2O2 + 2Cs → 2Cs2O

Получение соединения D: сжигание цезия на воздухе

Cs + O2 → CsO2

5. Цезий был открыт Бунзеном и Кирхгофом в 1860–1861 году по ярко-голубой линии в оптическом спектре (caesius – небесно-голубой).

Задача № 8                                      «Нюхательные соли – порошок с резким запахом,

который применялся как средство от дурноты.»

Г. Бичер-Стоун, «Хижина дяди Тома».

Не так давно, ещё каких-то сто лет назад у каждой уважающей себя дамы был при себе флакончик с нюхательной солью. Они использовали её, чтобы не упасть в обморок, когда становилось душно.

1. Предложите состав нюхательной соли, считая, что это индивидуальное соединение, выделяющее газ с резким запахом. Ответ аргументируйте. Напишите уравнение реакции получения из этого соединения газа с резким запахом.

2. Предложите способ получения этого соединения природных минералов.

3. Что является современным аналогом нюхательной соли? Приведите его тривиальное название.

4. Предложите состав нюхательной соли, состоящей из смеси двух солей (желательно из доступных в XVIII веке), приведите их тривиальные названия.  В каком соотношении необходимо смешивать эти соли?

Решение. Аммиак традиционно используют в медицине для того, чтобы вывести человека из обморочного состояния.

1. Соль, выделяющая аммиак в газовую фазу, может быть аммонийной солью слабой кислоты:

NH4A (кр.) ⇄ NH3 (газ) + HA(кр., ж.,газ)

Под эти условия лучше всего подходит карбонат (или гидрокарбонат) аммония (продукты реакции не вызывают поражения слизистых оболочек):

(NH4)2CO3 (кр.) ⇄ NH3(газ) + NH4HCO3 (кр.)

NH4HCO3 (кр.) ⇄ NH3 (газ) + CO2 (газ) + H2O (ж.) 

2. Карбонат аммония можно получить при нагревании смеси хлорида аммония (нашатырь) и избытка карбоната кальция (мел, известняк) с конденсацией образующихся газообразных продуктов:

CaCO3 + 2NH4Cl = CaCl2 + 2NH3 + CO2 +H2O

2NH3 + CO2 + H2O = (NH4)2CO3

3. В современной медицине и в быту используется водный раствор аммиака («нашатырного спирта»).

4. Смесь сухих солей: хлорида аммония (нашатыря) и карбоната калия (поташа) в мольном соотношении 1 : 1:

NH4Cl + K2CO3 = KHCO3 + KCl + NH3

Задача № 9. В зоне выветривания сульфидных месторождений наряду с другими вторичными минералами часто встречается ярко-синий минерал азурит (I), который издревле использовали в качестве синего минерального красителя. При нагревании этого минерала, растертого в порошок, выше 300 °С он приобретает чёрную окраску (II), теряя в массе 30,76 %. Выделяющиеся газы в этих условиях имели плотность по водороду 17,66. При охлаждении до комнатной температуры плотность газа по водороду составила 22, а объём уменьшился приблизительно в три раза. Если нагревать полученный чёрный порошок (II) в потоке водорода, то он приобретает розово-красный цвет и теряет в массе 20,11 % (III).

        Как исходный минерал азурит (I), так и продукты его разложения (II) и (III) растворяются в серной кислоте, но (III) растворяется только в концентрированной серной кислоте при нагревании выше 200 °С. Количество серной кислоты, расходуемое на растворение эквимолярных количеств (I) и (II) равны и вдвое меньше, чем в случае растворения (III).

Вопросы.

1. Определите состав соединений (I), (II) и (III), приведите их формулы.

2. Напишите уравнения реакций образования (II) и (III).

3. Напишите уравнения реакций растворения (I), (II) и (III) в серной кислоте.

4. Рассчитайте массу раствора, полученного растворением 40 г азурита (I) в 250 г  15 %-ного раствора серной кислоты.

        Решение. 1. Молярная масса газа (после охлаждения) равна 22 · 2 = 44 г/моль, что соответствует CO2, N2O или C3H8. При разложении минерала мог выделиться лишь CO2. Таким образом, азурит – карбонат. Второй летучий при 300 °С продукт термического разложения азурита при охлаждении до комнатной температуры конденсируется в жидкость или твёрдое вещество, объём которых существенно меньше газа (пара). При охлаждении от 600 К до 293 К объём газа уменьшился бы приблизительно в два раза, следовательно объём паров составляет 1/3 общего объёма. Определим молярную массу паров:

2/3 · 44 + 1/3·х = 17,66 · 2

29,33 + 1/3·х = 35,33

1/3·х = 6

х = 18

Наиболее вероятно вторым газообразным продуктом разложения была вода, которая конденсируется при температурах ниже 373 К, что соответствует условию. Следовательно, азурит – карбонат гидрат или гидроксокарбонат, продуктом термического разложения которых будет оксид (чёрного цвета), при восстановлении которого образуется металл (красно-розового цвета). Рассчитаем атомную массу металла:

79,89х · 8 : 20,11 = 31,78x 

Атомная масса металла составляет 31,78х, где х – степень окисления металла в оксиде. Тогда:

х        1        2        3        4        5        6

A        31,8        63,5        95,3        127,1        158,9        190,7

        S        Cu        Mo        Te        Tb        Os

Из приведенного набора элементов условию задачи соответствует только медь, следовательно (II) – CuO, (III) – Cu. Запишем состав (I) как Cun(OH)x(CO3)y. Заряд катиона меди +2, гидроксид-иона –1, карбонат-иона –2. Из принципа электронейтральности соединения имеем 2n = 2y + x. Тогда n = 3, x = 2 и y = 2. Состав азурита Cu3(OН)2(CO3)2.

2. Уравнения реакций:

Cu3(OН)2(CO3)2 = 3CuO + H2O + 2CO2

CuO + H2 = Cu + H2O

3. Реакции растворения:

Cu3(OН)2(CO3)2 + 3H2SO4 = 3CuSO4 + 4H2O + 2CO2

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O

40 г Cu3(OН)2(CO3)2 соответствует 0,116 моль или 0,348 моль ионов меди. В 250 г раствора серной кислоты содержится 250 · 0,15 = 37,5 г серной кислоты, количество кислоты 37,5 : 98 = 0,383 моль (кислота в небольшом избытке, азурит реагирует полностью). Масса раствора равна сумме масс раствора кислоты и азурита минус масса выделившегося CO2. Количество CO2 равно 0,116 · 2 = = 0,232 моль, а его масса 0,232 · 44 = 10,2 г. Масса раствора равна: 250 + 40 – 10,2 = 279,8 г.

Задача 10. Минерал цинкит термически устойчив, при сильном прокаливании возгоняется (Tвозг = 1800 °С). Цинкит не реагирует с водой, не восстанавливается водородом, но растворим в кислотах, щелочах и водном растворе аммиака.

Вещество A, имеющее такой же состав, как и цинкит, широко используют в медицинской практике как вяжущий, подсушивающий, антисептический препарат. Исходным сырьём для получения препарата А является шпат. Согласно стандарту Государственной Фармакопеи (ГФ), для определения чистоты препарата А его предварительно растворяют либо в кислоте, например, уксусной (реакция 1), либо в щёлочи, например, гидроксиде натрия (реакция 2). К полученному по реакции 1 раствору добавляют жёлтую кровяную соль, при этом выпадает светло-жёлтый осадок двойной соли Б (реакция 3), не растворимой в кислотах, но растворимой в щелочах. Соль Б содержит 16,07 % Fe.

Специфической реакцией на вещество А служит образование зелени Ринмана, при спекании А с оксидом кобальта (II) (реакция 4).

Согласно стандарту ГФ, при испытании на чистоту препарата А, полученного из минерального сырья:

а) под действием кислот на А не должен выделяться газ;

б) из раствора, полученного действием избытка уксусной кислоты на А, при добавлении хромата калия не должен выделяться осадок вещества В (реакция 5), которое применяют как жёлтую краску.

Вопросы.

1. Установите состав А, Б и В.

2. Напишите уравнения реакций 1–5

3. Напишите уравнение реакции взаимодействия А с избытком водного раствора аммиака (реакция 6).

4. Какие примеси должны отсутствовать в препарате А?

Решение. Как видно из названия, минерал включает в свой состав цинк. Исходя из описанных в условии задачи свойств соединения А (термическая устойчивость, не растворим в воде, но растворим в кислотах, щелочах и водном растворе аммиака) минерал цинкит представляет собой оксид цинка – ZnO.

Тогда реакции 1 и 2 это:

ZnO + 2CH3COOH = Zn(CH3COO)2 + H2O,

ZnO + 2NaOH + H2O = Na2[Zn(OH)4].

При взаимодействии с жёлтой кровяной солью K4[Fe(CN)6] многие ионы d-металлов дают осадки. В условии указывается, что получается двойная соль.

Запишем состав двойной соли как KxZny[Fe(CN)6]z. Если z = 1, то должно выполняться условие x + 2y = 4. В этом случае М(KxZny[Fe(CN)6]) = 56 / 0,1607 = 348,5 г/моль. Единственный вариант: x = 2, y = 1 не подходит. Сумма масс металлов 2 ∙ 39 + 65 = 143 г, а по расчёту из молярной массы сумма должна быть 136,5 г. Если z = 2, то должно выполняться условие x + 2y = 8. В этом случае М(KxZny[Fe(CN)6]2) = 112 / 0,1607 = 697 г/моль. Этим условиям отвечает: x = 2, y = 3. Тогда Б – K2Zn3[Fe(CN)6]2

Реакция 3

3Zn(CH3COO)2  + 2 K4[Fe(CN)6] = K2Zn3[Fe(CN)6]2↓ + 6 CH3COOK.

Реакция 4 – реакция получения зелени Ринмана

ZnO + CoO = ZnCoO2.

Реально получают ZnCoxOy (x = 1, 2; y = 4, 3, 2), и состав колеблется от ZnCoO2 до ZnCo2O4.

Жёлтый осадок хромата, нерастворимый в уксусной кислоте, применяемый как краска – хромат свинца. В – PbCrO4.

Реакция 5

Pb(CH3COO)2 + K2CrO4 = PbCrO4↓ + 2 CH3COOK.

У свинца не так много растворимых солей, поэтому для обнаружения примесей свинца обычно используют ацетат. Хромат свинца не растворим в избытке уксусной кислоты. В присутствии азотной кислоты хромат растворяется.

Реакция 6

ZnO + 4NH3 + H2O = [Zn(NH3)4](OH)2.

Примеси, которые должны отсутствовать в медицинском препарате:

а) карбонаты (выделение газа при действии кислот). Наличие остаточного карбоната возможно при получении оксида цинка из шпата;

б) соединения свинца.

Задача  11.  Самый распространённый сульфидный минерал X из-за великолепного золотого блеска нередко путают с золотом (поэтому минерал ещё называют кошачьим золотом или золотом дурака). Минерал состоит из двух элементов, массовая доля серы составляет 53,3 %. При обжиге X масса твёрдого вещества уменьшается на треть, а масса газообразного продукта на 60 % больше массы твёрдого остатка.

1. Определите химическую формулу минерала. Как он называется? Какие другие названия минерала или его разновидностей вы знаете?

2. Какой объём воздуха (н. у.), содержащего 20 % кислорода по объёму, требуется для обжига одного моля X? Рассчитайте объём (н. у.) и состав образующейся газовой смеси (в объёмных процентах).

3. При обжиге одного моль X выделяется 828 кДж теплоты. Рассчитайте теплоту образования X, если теплоты образования газообразного и твёрдого продуктов его обжига равны 297 и 824 кДж/моль соответственно.

Решение.

1. Пусть формула минерала MxSy, а молярная масса элемента M равна M. Тогда массовая доля серы равна:

, откуда .

Перебором при x = 1 и y = 2 получаем химически разумное решение M = 56, то есть формула минерала FeS2. Обычное название минерала – пирит. Название происходит от греческого «pyrites lithos», что означает «камень, высекающий огонь». Другие названия: железный или серный колчедан, марказит, бравоит.

2. При обжиге пирита образуются твёрдый и газообразный продукты. Твёрдый продукт – один из оксидов железа: FeO, Fe2O3 или Fe3O4. По условию задачи при обжиге масса твёрдого вещества уменьшается на треть. В случае образования каждого из трёх перечисленных оксидов отношение масс твёрдых веществ равно:

,

,

.

Следовательно, твёрдый продукт обжига – Fe2O3.

Газообразный продукт – один из оксидов серы: SO2 или SO3. По условию задачи масса газообразного продукта на 60 % (т. е. в 1,6 раза) больше массы твёрдого остатка (Fe2O3). Тогда с учётом стехиометрии (на 2 атома железа приходится 4 атома серы) молярная масса газообразного продукта равна

 = 64 г/моль.

Следовательно, газообразный продукт обжига – SO2.

Примечание для проверяющих: учащиеся могут сразу выбрать в качестве продуктов Fe2O3 и SO2. В этом случае они должны проверить соответствие отношений масс условиям задачи.

Уравнение реакции обжига пирита:

4 FeS2(тв.) + 11 O2(г.) = 2 Fe2O3(тв.) + 8 SO2(г.)

Для обжига 1 моля пирита требуется 11 / 4 = 2,75 моль O2.

Объём воздуха (н. у.) равен 2,75 / 0,2 · 22,4 = 308 л.

В нём содержится 308 · 0,8 = 246,4 л N2.

При обжиге образуется 8 / 4 · 22,4 = 44,8 л SO2.

Общий объём полученной газовой смеси (н. у.) равен 246,4 + 44,8 = 291,2 л.

Объёмные доли компонентов газовой смеси составляют:

ϕ(SO2) = 44,8 / 291,2 = 15,4 %.

ϕ(N2) = 246,4 / 291,2 = 84,6 %.

3. По закону Гесса

2 Qобр(Fe2O3) + 8 Qобр(SO2) – 4 Qобр(FeS2) = 4 · 828,

или 2 · 824 + 8 · 297 – 4Qобр(FeS2) = 4 · 828,

откуда Qобр(FeS2) = 178 кДж/моль