Решение задачи с международной химической

Решение задачи с международной
химической олимпиады
Решение подготовлено сайтом ChemiDay.com
В условии задачи сказано, что соединение Х образуется при реакции голубого
кристаллогидрата и одноосновной фосфорной кислоты. В свою очередь данный
кристаллогидрат образуется при реакции металла К с концентрированной серной кислотой.
То есть, скорее всего, данный кристаллогидрат будет сульфатом. Итак, мы имеем голубой
кристаллогидрат, который является сульфатом. Первое, что приходит в голову, это медный
купорос CuSO4∙5H2O, образующийся по реакции:
Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O
CuSO4 + 5H2O = CuSO4∙5H2O
Итак, при реакции медного купороса с одноосновной фосфорной кислотой образуется бинарное
соединение Х с массовой долей наиболее тяжелого компонента 98,45%. Данное соединение
может состоять из следующих элементов: Cu, P, S, H, O. Логично предположить, что для того,
чтобы массовая доля одного из элементов была практически 100%, в состав Х должны входить
элементы, у которых разность атомных масс наибольшая. В нашем случае это Cu и H. Тогда
соединение Х – гидрид меди. Осталось определить, какой именно – меди(I) или меди(II). Для
этого представим формулу гидрида в виде CuHn, где n – индекс при водороде.
𝐴𝑟(𝐶𝑢)
64
=
= 0,9845
𝑀(𝐶𝑢𝐻𝑛 ) 64 + 1 ∗ 𝑛
𝑊 𝐶𝑢 =
64 = 0,9845 ∗ (64 + 𝑛)
64 = 63,008 + 0,9845𝑛
0,9845𝑛 = 0,992
𝑛=
0,992
= 1,0076 ≈ 1
0,9845
То есть формула соединения Х – CuH.
При нагревании гидрид меди(I) разлагается на медь и водород:
2CuH = 2Cu + H2
Одно из этих простых веществ обозначается буквой F. Скорее всего, F – это водород, потому
что медь у нас уже обозначена буквой К.
Е присутствует в составе минералов оливина, доломита и карналлита. Эти три минералы
объединяются тем, что во всех них содержится металл магний. Значит, Е – это магний. При
реакции Е с F (то есть магния с водородом), образуется вещество Z – гидрид магния MgH2:
Mg + H2 = MgH2
При реакции его с хлорсодержащей кислотой J образуется CuH. Значит, эта кислота должна
содержать и медь, и хлор. Очевидно, что J – это комплексная кислота H2[CuCl4]. Тогда реакция
будет следующей:
2MgH2 + H2[CuCl4] = CuH + 2MgCl2 + 5/2H2
Выведем теперь формулу нитрида G. Для этого представим формулу нашего нитрида в виде
Э3Nn.
𝑊 𝑁 =
𝐴𝑟 𝑁 ∗ 𝑛
14𝑛
=
= 0,402
𝐴𝑟 Э ∗ 3 + 𝐴𝑟 𝑁 ∗ 𝑛 3𝐴𝑟 Э + 14𝑛
14𝑛 = 0,402 ∗ (3𝐴𝑟 Э + 14𝑛)
14𝑛 = 1,206𝐴𝑟 Э + 5,628𝑛
8,372𝑛 = 1.206𝐴𝑟(Э)
𝐴𝑟 Э ≈ 6,94𝑛
n может принимать только целочисленные значения, что дает нам возможность
использовать метод подбора. Итак, при n = 1 Ar(Э) = 6, 94, что соответствует атомной массе
металла лития. Тогда G – это нитрид лития Li3N. При его реакции с водородом образуется
гидрид лития и аммиак:
Li3N + H2 = LiH + NH3
Но вот вопрос: какой из продуктов будет являться соединением L? В условии задачи сказано,
что X, Y, Z, L – это соединения, относящиеся к одному классу. Х – это гидрид, следовательно, и L
будет являться гидридом, то есть L – это LiH.
K и H – металлы с зарядом ядра, различающимися на 1. Так как К – это медь, то H это либо
цинк, либо никель. Реагируя с йодметаном, образуется легковоспламеняющаяся жидкость с
молярной массой 95, 4 г/моль. Это никакой не йодид и не свободный йод, так как атомная
масса йода слишком велика. Но это и не углеводород, так как при дальнейшем химическом
взаимодействии с L вещество D переходит в гидрид Y, а гидрид должен содержать металл.
Тогда, скорее всего, вещество D имеет формулу Me(CH3)2, где Me – это цинк или никель (индекс
2 после метил-радикала мы имеем право поставить, так как оба рассматриваемых металла
проявляют валентность II). Теперь мы можем найти молярную массу металла:
𝑀 𝑀𝑒 = 𝑀 𝐷 − 𝑀 𝐶𝐻3 ∗ 2 = 95,4 − 30 = 65,4
Атомная масса 65 соответствует цинку. Итак, мы определили, что металл Н – это цинк.
Zn + 2CH3I = Zn(CH3)2 + I2
Соединение D – это диметилцинк.
Zn(CH3)2 + 2LiH = ZnH2 + 2CH3Li
Соединение Y – это гидрид цинка. Оно разлагается на водород и цинк:
ZnH2 = Zn + H2
При реакции гидрида лития с йодидом С образуется гидрид цинка. Тогда логично
предположить, что соединение С – это йодид цинка:
2LiH + ZnI2 = ZnH2 + 2LiI
Последнее, что нам осталось вывести, это одноосновная кислота В, содержащая фосфор.
Наиболее известных одноосновных кислот фосфора всего две – HPO3 и H3PO2. Теперь надо
выбрать одну из них. При реакции медного купороса с ней медь переходит из степени окисления
+2 в степень окисления +1. Значит, кислота должна быть восстановителем, то есть фосфор в
ней должен находиться не в максимальной степени окисления (не в +5). В H3PO2 фосфор
находится в +1, а в HPO3 – в +5. Выбор очевиден:
2CuSO4 + 3H2O + 3H3PO2 = 2CuH + 3H3PO3 + 2H2SO4
Итак, подведем итоги и ответим на вопросы задачи:
1. K – Сu, A – CuSO4∙5H2O, B – H3PO2, X – CuH, J – H2[CuCl4], Z – MgH2, E – Mg, F – H2, G – Li3N, L –
LiH, C – LiI, Y – ZnH2, D – Zn(CH3)2, H – Zn.
2. Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O
2CuSO4 + 3H2O + 3H3PO2 = 2CuH + 3H3PO3 + 2H2SO4
2CuH = 2Cu + H2
Mg + H2 = MgH2
2MgH2 + H2[CuCl4] = CuH + 2MgCl2 + 5/2H2
Li3N + H2 = LiH + NH3
2LiH + ZnI2 = ZnH2 + 2LiI
ZnH2 = Zn + H2
Zn(CH3)2 + 2LiH = ZnH2 + 2CH3Li
Zn + 2CH3I = Zn(CH3)2 + I2
3. Все дело в продуктах реакции. Гидриды цинка и меди дают при реакции с водой
соответственно нерастворимый оксид и гидроксид, которые покрывают пленкой
реагирующий гидрид и мешаю дальнейшему протеканию реакции. Гидроксид магния,
образующийся при реакции его гидрида с водой, не настолько нерастворим, как
гидроксид цинка, поэтому реакция идет, хоть и медленно. А вот гидроксид лития
хорошо растворим, поэтому реакция его гидрида с водой протекает быстро и бурно.
4. Гидрид магния можно использовать как накопитель водорода.
5.
Потому что в составе это кислоты имеется лишь одна карбоксильная
группа