Десятый класс

Задача 10-1 (авторы Куркова Т.Н., Чибисова Н.В.)

1. Вещество М – это Рb₃(OH)₂(CO₃)₂ или Pb(OH)₂ · 2PbCO₃ (или (PbOH)₂CO₃ или Pb₂(OH)₂CO₃) – свинцовые белила (гидроцеруссит);

К – Pb₃O₄ – сурик;

Ч – PbS – свинцовый блеск (галенит);

О – PbO₂ – тяжелая свинцовая руда.

2. Уравнения реакций:

2Pb₃(OH)₂(CO₃)₂ + O₂ = 2Pb₃O₄ + 2H₂O + 4CO₂↑ (1)

красный

Pb₃(OH)₂(CO₃)₂ + Н₂S = 3PbS↓ + 4H₂O + 2CO₂↑ (2)

черный

PbS + 4H₂O₂ = PbSO₄↓ + 4H₂O (3)

белый

PbSO₄ + 6NaOH = Na₄[Pb(OH)₆] + Na₂SO₄ (4) Na₄[Pb(OH)₆] + CS(NH₂)₂ = PbS↓ + Na₂CO₃ + H₂O + 2NaOH + 2NH₃↑ (5)

свинцовый блеск

3PbS + 8HNO₃ = 3Pb(NO₃)₂ + 3S + 4H₂O + 2NO↑ (6)

Pb(NO₃)₂ + 2KI = PbI₂↓+ 2KNO₃ (7)

желтый

PbI₂↓ + 2KI = К₂[PbI₄] (8)

Pb₃O₄ + 4HNO₃ = 2Pb(NO₃)₂ + PbO₂↓ + 2H₂O (9)

коричневый

3. Реакция Х – образование «золотого дождя».

4. Примеры реакций:

1) 5PbO₂ + 2Mn(NO₃)₂ + 6HNO₃ = 2HMnO₄ + 5Pb(NO₃)₂ + 2H₂O.

2) PbO₂ + 4HCl = PbCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O.

Задача 10-2 (авторы Тюльков И.А., Масоуд С.М.)

1. Каустическая, питьевая (пищевая), кальцинированная, кристаллическая

2.

Название	Формула	Современное название
Кальцинированная сода	Na2CO3	Карбонат натрия
Кристаллическая сода	Na2CO3∙10H2O	Декагидрат карбоната натрия
Пищевая или питьевая сода	NaHCO3	Гидрокарбонат натрия
Каустическая сода	NaOH	Гидроксид натрия

3. При взаимодействии соляной кислоты с тремя содами выделяется газ. С каустической содой (NaOH) газ не может выделяться ни при каких условиях, следовательно, с выделением газа реагировали гидрокарбонат, безводный карбонат и декагидрат карбоната натрия. Рассчитаем количество вещества в каждой навеске: 0,028 моль Na₂CO₃, 0,036 моль NaHCO₃, 0,010 моль Na₂CO₃∙10H₂O.

При медленном приливании раствора соляной кислоты к карбонату сначала образуется гидрокарбонат:

Na₂CO₃ + HCl = NaHCO₃ + NaCl (1)

Для того, чтобы из раствора выделялся газ, кислоты должно быть достаточно, чтобы реагировать с получившимся гидрокарбонатом:

NaHCO₃ + HCl = NaCl + CO₂ + H₂O (2)

Рассчитаем, сколько моль CO₂ выделилось в каждом опыте. Согласно уравнению Клапейрона–Менделеева,

,

где , 98,659 кПа, T = 295,15 K.

Составим таблицу:

№ опыта	V(газа), мл	n(газа), моль
1	900	0,036
2	250	0,010
3	370	0,015

Сравним данные таблицы с рассчитанными количествами каждой соды:

Формула	Название	n(соды), моль
Na2CO3	Кальцинированная сода	0,028
Na2CO3∙10H2O	Кристаллическая сода	0,010
NaHCO3	Питьевая сода	0,036

Можно заключить, что в первом опыте соляная кислота реагировала с раствором питьевой соды, во втором – с раствором кристаллической соды. Тогда третий опыт проводили с раствором кальцинированной соды.

4. Расчет содержания HCl в соляной кислоте следует проводить, исходя из данных опыта 3, поскольку только в этом опыте HCl в недостатке – в противном случае в этом опыте выделилось бы 0,028 моль CO₂.

Согласно уравнению (1) потребуется 0,028 моль HCl для перевода карбоната в гидрокарбонат. Из раствора кальцинированной соды выделяется 0,015 моль CO₂. Согласно уравнению (2) потребуется 0,015 моль HCl для выделения этого количества газа. Таким образом, для третьего опыта потребовалось 0,028 + 0,015 = 0,043 моль HCl.

В 15 мл (учитывая плотность, в 15,75 г) раствора содержится 0,043 моль HCl.

.

Задача 10-3 (автор Панин Р. В.)

1) Поскольку соединение А состоит из трех элементов и получается при взаимодействии оксида с хлороводородом, логично предположить, что в состав А входят неизвестный элемент, кислород и хлор. Неизвестный элемент определяется по атомной массе, котора рассчитывается из весовых соотношений. Составы соединений отвечают формуле Х_pY_mZ_n, (пусть Y – элемент, массовое содержание которого дано в условии). Тогда (Y/ZХ)_А : (Y/ZХ)_Б : (Y/ZХ)_В : (Y/ZХ)_Г = 61,4/38,6 : 51,5/48,5 : 34,7/65,3 : 30/70 = 1,59 : 1,06 : 0,53 : 0,43 = 3 : 2 : 1 : 0,81. Поскольку массовая доля Y в соединениях А, Б и В относятся как 3:2:1, то в Ф, Б и В входят 3, 2 и 1 атом Y соответственно. Предположим, что Y отвечает хлору (так как в условии фигурирует хлороводород (реакция 1)), тогда в соединении В на долю оставшейся группировки атомов приходится 65,3∙35,5:34,7 = 66,8 г/моль. Аналогично можно провести расчет для соединения А 3∙35,5∙38,6:61,4=66,95 и для соединения Б 2 ∙ 35,5 ∙ 48,5 : 51.5 = 66,8. Так как вещество Д – оксид, тогда Z – группировка атомов, в которую входит кислород и неизвестный элемент, тогда на его долю приходится 66,8 – 16 = 50,8 г/моль, что соответствует ванадию. Тогда А = VOCl₃, Б = VOCl₂, В = VOCl, Г = VO₂Cl. Исходя из окраски и уравнения реакции Д с HCl (реакция 1) следует, что Д = V₂O₅.

V₂O₅ + 6HCl = 2VOCl₃ + 3H₂O (реакция 1) (P₂O₅ необходим для связывания образующейся воды: P₂O₅ + H₂O = 2HPO₃)

2VOCl₃ + Zn = 2VOCl₂ + ZnCl₂ (реакция 2)

V₂O₅ + 6HCl_(конц.) = 2VOCl₂ + Cl₂ + 3H₂O (реакция 3)

2VOCl₂ = VOCl + VOCl₃ (реакция 4)

VOCl₃ + O₃ = VO₂Cl + O₂ + Cl₂ (реакция 5)

2) На первом этапе эти соли подвергаются гидролизу с выделением гидратированного оксида ванадия (V)

2VOCl₃ + (3+n)H₂O = V₂O₅∙nH₂O + 6HCl

2VO₂Cl + (1+n)H₂O = V₂O₅∙nH₂O + 2HCl

3) Исходя из физических свойств, VOCl₃ имеет молекулярное строение (отрицательная температура плавления), молекула имеет форму искаженного тетраэдра.

4) V₂O₅ получают термическим разложением ванадата аммония в токе кислорода или на воздухе 2NH₄VO₃ = V₂O₅ + 2NH₃ + H₂O (350ºC) (реакция 6) для предотвращения восстановления ванадия аммиаком.

Задача 10-4 (автор Жиров А.И.)

1. Реакции термического разложения:

NH₄NO₂ = 2H₂O + N₂

NH₄NO₃ = 2H₂O + N₂O

Каталитическое разложение N₂O:

2N₂O = 2N₂ + O₂

2. Для получения смеси азота и кислорода (20 объёмных, или мольных % кислорода, т. е. 1 объём кислорода на 4 объёма азота) нитрат и нитрит аммония надо использовать в молярном соотношении 1 : 1 или в весовом 72 : 64 (1,125 : 1).

3. Стандартные энтальпии реакций разложения при 298 К:

NH₄NO_{2 (кр.)} = N_{2 (г)} + 2H₂O _(ж)

_rH₂₉₈ = –285,8  2 +256,1 = –315,5 (кДж/моль).

При разложении 1 моль нитрита аммония выделяется 315,5 кДж теплоты. Реакция экзотермическая.

NH₄NO_{3 (кр.)} = 2H₂O _(ж) + N₂O _(г)

_rH₂₉₈ = –285,8  2 + 82 + 365,4 = –124,2 (кДж/моль).

При разложении 1 моль нитрата аммония выделяется 124,4 кДж теплоты. Реакция экзотермическая.

2N₂O _(газ) = 2N_{2 (газ)} + O_{2 (газ)}

_rH₂₉₈ = 0 + 0 – 82  2 = –164 кДж/моль.

При разложении 2 моль N₂O выделяется 164 кДж теплоты. Реакция экзотермическая.

2. Объём 1 моль нитрита аммония равен 64 : 1,69 = 37,9 (см³) или 0,0379 л. Давление 1 моль азота в таком объёме при 25 С (298 К) будет равно 1  22,4  298 : 273 : 0,0379 = = 645 (атм) = 65∙10³ кПа.

Объём 1 моль нитрата аммония равен 72 : 1,72 = 41,9 (см³) или 0,0419 л. Парциальное давление азота составит 584 атм, а кислорода 292 атм.

2. Объём 1 м³ при 25 С и 298 К соответствует 40,9 моль газов. Количество каждой соли, необходимое для получения такого количества газов, будет равно 40,9 : 2,5 = 16,36 (моль). Масса нитрита аммония составит 64  16,36 = 1047 (г), а нитрата аммония – 72  16,36 = 1178 (г). Общая масса равна 2225 г.

3. Общее количество теплоты, выделяемое при получении 1 м³ воздушной смеси составит 16,36 (315,5 + 124,2 + 82) = 8535 (кДж).

4. Все используемые реакции протекают с выделением значительных количеств теплоты, в результате реакции образуются газообразные продукты, поэтому управлять этими реакциями (контролировать их скорость) очень сложно. Кроме того, в невесомости выделение газов из расплава приведёт к образованию пены, обладающей низкой теплопроводностью.

Задача 10-5.

Итак, все схемы соответствуют важным промышленным процессам. Органическое соединение А при взаимодействии с простым веществом Б дает смесь четырех продуктов Г, из которых лишь один является бинарным, а также бинарное вещество В. Ответ напрашивается: это реакция хлорирования метана, и Г⁴ – тетрахлорметан, а В – хлористый водород. Реакция Ж + Н – по-видимому, реакция Кучерова. То есть одно из этих соединений – вода, а другое – алкин. Соединение Н образуется (наряду с М) при нагревании метана до 1500С. То есть, М – водород, а Н – ацетилен, С₂Н₂. Значит, Ж – вода, а Ф – уксусный альдегид, СН₃СHO. Реакция Н с хлороводородом В с образованием важного мономера –винилхлорида (У).

Вода получается при взаимодействии метана (А) с простым веществом Д. Согласно условию, из А и Д могут образоваться также вода и вещество Л, однако обычно это является нежелательным процессом. Поскольку в состав Ж входит кислород, простое вещество Д – О₂, соединение Е – углекислый газ, СО₂, а соединение Л – оксид углерода(II), СО. Атомные массы Д и З отличаются в 2 раза. Поскольку Д – кислород, З должен иметь атомную массу либо 8, либо 32. То есть, З – это сера. Тогда реакция А с З – реакция метана с серой. При пропускании метана над раскаленной серой образуются продукты соединения с серой как углерода (CS₂), так и водорода (H₂S). Это соединения И и К. Получение продуктов Г в результате взаимодействия метана с хлороводородом и кислородом позволяет избежать работы с ядовитым хлором и возвращать в реакцию выделяющийся при хлорировании хлороводород, окисляющийся кислородом в ходе процесса. Это уравнение полностью согласуется с выводами о структурах соединений, участвовавших в ранее рассмотренных реакциях.

Мы выяснили, что Ж – вода; реакция воды с метаном дает «синтез-газ», т.е. смесь СО (соединение Л) и Н₂ (М). Осталось расшифровать два уравнения. Промышленно важным процессом, в котором водород взаимодействует с простым веществом Т с образованием бинарного продукта П, является синтез аммиака. Таким образом, при взаимодействии метана, аммиака и кислорода образуются вода и соединение Р, которое содержит углерод (из метана) и азот (из аммиака), но не является бинарным соединением. То есть в его состав может входить также водород или кислород (или оба элемента). Про соединение Р известно, что оно присоединяется к уксусному альдегиду, давая аддукт, который при отщеплении воды превращается в важный мономер. Рассмотрев все эти факты, можно сделать вывод, что вещество Р – синильная кислота, HCN. Таким образом, 10 приведенных схем надо записать в виде следующих уравнений:

1. 4 CH₄ + 10 Cl₂ → 10 HCl + CH₃Cl + CH₂Cl₂ + CHCl₃ + CCl₄

2. CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

3. 2 CH₄ + S₈ → 2 CS₂ + 4 H₂S

4. 4 CH₄ + 10 HCl + 5 O₂ → CH₃Cl + CH₂Cl₂ + CHCl₃ + CCl₄ + 10 H₂O

5. CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

6. 2 CH₄ → C₂H₂ + 3 H₂

7. 2 CH₄ + 2 NH₃ + 3 O₂ → 2 HCN + 6 H₂O

8. 3 H₂ + N₂ → 2 NH₃

9. C₂H₂ + HCl → CH₂=CHCl

10. C₂H₂ + H₂O → CH₃CHO